Jaapani teadlased on plahvatusohtliku tehnika abil tootnud seni väikseimaid nanoteemante, mis on võimelised uurima ümbritseva keskkonna mikroskoopilisi temperatuurierinevusi. Hoolikalt kontrollitud plahvatusega, millele järgneb mitmeastmeline puhastusprotsess, Norikazu Mizuochi ja Kyoto ülikooli meeskond valmistas fotoluminestseeruvaid nanoteemante, mis on umbes 10 korda väiksemad kui olemasolevate tehnikate abil toodetud. Innovatsioon võib oluliselt parandada teadlaste võimet uurida elusrakkude sees leiduvaid väikseid temperatuurierinevusi.
Hiljuti on teemandis olevad ränivabade (SiV) keskused muutunud paljulubavaks vahendiks temperatuurimuutuste mõõtmiseks nanomõõtmeliste piirkondade vahel. Need defektid tekivad siis, kui teemandi molekulaarvõres on kaks naabersüsinikuaatomit asendatud ühe räni aatomiga. Laseriga kiiritades fluorestseeruvad need aatomid eredalt kitsas nähtavate või infrapuna-lähedaste lainepikkuste vahemikus – mille tipud nihkuvad lineaarselt teemandi ümbritseva temperatuuriga.
Need lainepikkused on eriti kasulikud bioloogiliste uuringute jaoks, kuna need ei kujuta ohtu õrnadele elustruktuuridele. See tähendab, et kui SiV-tsentreid sisaldavaid nanoteemante süstitakse rakkudesse, saavad nad mõõta oma sisemuse mikroskoopilisi temperatuurimuutusi alam-kelvini täpsusega, võimaldades bioloogidel hoolikalt uurida sees toimuvaid biokeemilisi reaktsioone.
Siiani on SiV nanoteemante suures osas toodetud selliste meetodite abil, nagu keemiline aurustamine-sadestamine ja tahke süsiniku allutamine äärmuslikele temperatuuridele ja rõhkudele. Praegu saab nende meetoditega aga valmistada ainult umbes 200 nm suurusi nanoteemante, mis on siiski piisavalt suured, et kahjustada õrnaid rakustruktuure.
Oma uuringus töötasid Mizuochi ja meeskond välja alternatiivse lähenemisviisi, kus nad kõigepealt segasid räni hoolikalt valitud lõhkeainete seguga. Pärast segu detoneerimist CO2 atmosfääris, seejärel töödeldi plahvatusprodukte mitmeetapilise protsessiga, mis hõlmas järgmist: tahma ja metalli lisandite eemaldamine segatud happega; toodete lahjendamine ja loputamine deioniseeritud veega; ja allesjäänud nanoteemantide katmine bioühilduva polümeeriga.
Lõpuks kasutasid teadlased tsentrifuugi suuremate nanoteemantide välja filtreerimiseks. Lõpptulemuseks oli partii ühtlaseid sfäärilisi SiV nanoteemante, mille keskmine suurus oli ligikaudu 20 nm: väikseimad nanoteemandid, mida kunagi on kasutatud termomeetria demonstreerimiseks fotoluminestsentsvõre defektide abil. Mitmete katsete käigus täheldasid Mizuochi ja tema kolleegid selgeid lineaarseid nihkeid oma nanoteemantide fotoluminestsentsspektrites temperatuurivahemikus 22–45 °C, mis hõlmas enamikus elussüsteemides leitud variatsioone.
Nanodiamondid mõõdavad elusrakkude soojusjuhtivust
Selle lähenemisviisi edu avab nüüd ukse palju üksikasjalikumale, mitteinvasiivsele termomeetriale rakusiseses sisemuses. Järgmiseks on meeskonna eesmärk optimeerida igas nanoteemandis olevate SiV-keskuste arvu, muutes need veelgi tundlikumaks nende termilise keskkonna suhtes. Nende täiustuste abil loodavad teadlased, et neid struktuure saaks kasutada organellide uurimiseks: rakkude veelgi väiksemad ja õrnemad alaühikud, mis on kõigi elusorganismide toimimiseks üliolulised.
Teadlased kirjeldavad oma tulemusi ajakirjas Süsinik.
