Durch eine Sprengtechnik haben Forscher in Japan die bisher kleinsten Nanodiamanten hergestellt, die in der Lage sind, mikroskopische Temperaturunterschiede in ihrer Umgebung zu untersuchen. Mit einer sorgfältig kontrollierten Explosion, gefolgt von einem mehrstufigen Reinigungsprozess, Norikazu Mizuochi und ein Team der Universität Kyoto stellten photolumineszierende Nanodiamanten her, die etwa zehnmal kleiner sind als die mit bestehenden Techniken hergestellten. Die Innovation könnte die Fähigkeit der Forscher erheblich verbessern, die winzigen Temperaturunterschiede in lebenden Zellen zu untersuchen.
Kürzlich haben sich Silizium-Leerstellen (SiV)-Zentren in Diamanten als vielversprechendes Werkzeug zur Messung von Temperaturschwankungen in nanoskaligen Regionen herausgestellt. Diese Defekte entstehen, wenn zwei benachbarte Kohlenstoffatome im Molekülgitter von Diamant durch ein einzelnes Siliziumatom ersetzt werden. Wenn sie mit einem Laser bestrahlt werden, fluoreszieren diese Atome hell über einen schmalen Bereich sichtbarer oder naher Infrarotwellenlängen – deren Spitzen sich linear mit der Temperatur der Umgebung des Diamanten verschieben.
Diese Wellenlängen sind besonders nützlich für biologische Untersuchungen, da sie keine Gefahr für empfindliche lebende Strukturen darstellen. Das bedeutet, dass, wenn Nanodiamanten, die SiV-Zentren enthalten, in Zellen injiziert werden, sie die mikroskopischen Temperaturschwankungen ihres Inneren mit Subkelvin-Präzision sondieren können – was es Biologen ermöglicht, die biochemischen Reaktionen, die im Inneren stattfinden, genau zu untersuchen.
Bisher wurden SiV-Nanodiamanten hauptsächlich durch Techniken wie chemische Dampfabscheidung und das Aussetzen von festem Kohlenstoff extremen Temperaturen und Drücken hergestellt. Derzeit können diese Methoden jedoch nur Nanodiamanten bis zu einer Größe von etwa 200 nm herstellen – immer noch groß genug, um empfindliche Zellstrukturen zu beschädigen.
In ihrer Studie entwickelten Mizuochi und sein Team einen alternativen Ansatz, bei dem sie zunächst Silizium mit einer sorgfältig ausgewählten Sprengstoffmischung mischten. Nach der Detonation der Mischung in einem CO2 Atmosphäre behandelten sie dann die Explosionsprodukte in einem mehrstufigen Prozess, der Folgendes umfasste: Entfernen von Ruß und Metallverunreinigungen mit einer Mischsäure; Verdünnen und Spülen der Produkte mit deionisiertem Wasser; und Beschichten der verbleibenden Nanodiamanten mit einem biokompatiblen Polymer.
Schließlich verwendeten die Forscher eine Zentrifuge, um größere Nanodiamanten herauszufiltern. Das Endergebnis war eine Charge einheitlicher, kugelförmiger SiV-Nanodiamanten mit einer durchschnittlichen Größe von etwa 20 nm: die kleinsten Nanodiamanten, die jemals verwendet wurden, um die Thermometrie mit photolumineszierenden Gitterdefekten zu demonstrieren. Durch eine Reihe von Experimenten beobachteten Mizuochi und Kollegen deutliche lineare Verschiebungen in den Photolumineszenzspektren ihrer Nanodiamanten über Temperaturen im Bereich von 22 bis 45 °C – was die Variationen umfasst, die in den meisten lebenden Systemen zu finden sind.
Nanodiamanten messen die Wärmeleitfähigkeit in lebenden Zellen
Der Erfolg dieses Ansatzes öffnet nun die Tür für weitaus detailliertere, nicht-invasive Thermometrie aus dem Zellinneren. Als nächstes zielt das Team darauf ab, die Anzahl der SiV-Zentren in jedem Nanodiamanten zu optimieren, um sie noch empfindlicher für ihre thermische Umgebung zu machen. Mit diesen Verbesserungen hoffen die Forscher, dass diese Strukturen verwendet werden könnten, um Organellen zu untersuchen: die noch kleineren und empfindlicheren Untereinheiten von Zellen, die für das Funktionieren aller lebenden Organismen lebenswichtig sind.
Die Forscher beschreiben ihre Ergebnisse in Kohlenstoff.
