A japán kutatók robbanékony technikával előállították az eddigi legkisebb nanogyémántokat, amelyek képesek a környező környezetükben a mikroszkopikus hőmérséklet-különbségek vizsgálatára. Gondosan ellenőrzött robbanással, majd többlépcsős tisztítási folyamattal, Norikazu Mizuochi és a Kiotói Egyetem csapata olyan fotolumineszcens nanogyémántokat állított elő, amelyek körülbelül 10-szer kisebbek, mint a meglévő technikákkal előállítottak. Az innováció jelentősen javíthatja a kutatók azon képességét, hogy tanulmányozzák az élő sejtek belsejében fellelhető parányi hőmérséklet-különbségeket.
A közelmúltban a gyémántban lévő szilícium-vakance (SiV) központok ígéretes eszközzé váltak a nanoméretű régiók hőmérséklet-ingadozásainak mérésére. Ezek a hibák akkor keletkeznek, amikor a gyémánt molekularácsában két szomszédos szénatomot egyetlen szilíciumatommal helyettesítenek. Lézerrel besugározva ezek az atomok fényesen fluoreszkálnak a látható vagy közeli infravörös hullámhosszok szűk tartományában – amelyek csúcsai lineárisan eltolódnak a gyémánt környezetének hőmérsékletével.
Ezek a hullámhosszak különösen hasznosak biológiai vizsgálatokhoz, mivel nem jelentenek veszélyt a kényes élő struktúrákra. Ez azt jelenti, hogy amikor SiV-centrumot tartalmazó nanogyémántokat injektálnak a sejtekbe, azok belsejében lévő mikroszkopikus hőmérséklet-ingadozásokat kelvin alatti pontossággal szondázhatják, így a biológusok alaposan tanulmányozhatják a belsejében zajló biokémiai reakciókat.
Eddig a SiV nanogyémántokat nagyrészt olyan technikákkal állították elő, mint a kémiai gőzleválasztás, valamint a szilárd szenet szélsőséges hőmérsékleteknek és nyomásoknak téve ki. Egyelőre azonban ezekkel a módszerekkel csak nagyjából 200 nm-es méretű nanogyémántokat lehet előállítani – még mindig elég nagyok ahhoz, hogy károsítsák az érzékeny sejtstruktúrákat.
Tanulmányukban Mizuochi és csapata egy alternatív megközelítést dolgozott ki, ahol először szilíciumot kevertek össze egy gondosan kiválasztott robbanóanyag keverékkel. Az elegy CO-ban történő felrobbantása után2 atmoszférában, majd többlépcsős eljárásban kezelték a robbanás termékeit, amely a következőket foglalta magában: az esetleges korom- és fémszennyeződések eltávolítása kevert savval; a termékek ionmentesített vízzel történő hígítása és öblítése; és a megmaradt nanogyémántok bevonása biokompatibilis polimerrel.
Végül a kutatók centrifugával kiszűrték a nagyobb nanogyémántokat. A végeredmény egy adag egyenletes, gömb alakú SiV nanogyémánt lett, amelyek átlagos mérete nagyjából 20 nm volt: a legkisebb nanogyémántok, amelyeket valaha is használtak fotolumineszcens rácshibákat használó hőmérők bemutatására. Kísérletsorozat során Mizuochi és munkatársai egyértelmű lineáris eltolódásokat figyeltek meg nanogyémántjaik fotolumineszcens spektrumában, 22 és 45 °C közötti hőmérsékleten – ami magában foglalja a legtöbb élő rendszerben megtalálható eltéréseket.
A nanogyémántok az élő sejtek hővezető képességét mérik
Ennek a megközelítésnek a sikere most megnyitja az ajtót a sokkal részletesebb, nem invazív hőmérők számára a sejt belsejéből. Ezután a csapat célja, hogy optimalizálja az egyes nanogyémántokban lévő SiV-centrumok számát, még érzékenyebbé téve azokat a termikus környezetükre. Ezekkel a fejlesztésekkel a kutatók azt remélik, hogy ezeket a struktúrákat fel lehet használni az organellumok tanulmányozására: a sejtek még kisebb és kényesebb alegységei, amelyek létfontosságúak minden élő szervezet működéséhez.
A kutatók leírják eredményeiket Szén.
