Door middel van een explosieve techniek hebben onderzoekers in Japan de kleinste nanodiamanten tot nu toe geproduceerd, die in staat zijn microscopisch kleine temperatuurverschillen in hun omgeving te onderzoeken. Met een zorgvuldig gecontroleerde explosie, gevolgd door een meerstaps zuiveringsproces, Norikazu Mizuochi en een team van de Universiteit van Kyoto vervaardigde fotoluminescente nanodiamanten die ongeveer 10 keer kleiner waren dan die geproduceerd met bestaande technieken. De innovatie zou het vermogen van onderzoekers om de minieme temperatuurverschillen in levende cellen te bestuderen aanzienlijk kunnen verbeteren.
Onlangs zijn silicium-vacature (SiV) -centra in diamant naar voren gekomen als een veelbelovend hulpmiddel voor het meten van temperatuurvariaties in nanoschaalregio's. Deze defecten ontstaan wanneer twee naburige koolstofatomen in het moleculaire rooster van diamant worden vervangen door een enkel siliciumatoom. Wanneer ze worden bestraald met een laser, zullen deze atomen helder fluoresceren over een smal bereik van zichtbare of nabij-infrarode golflengten - waarvan de pieken lineair verschuiven met de temperatuur van de omgeving van de diamant.
Deze golflengten zijn bijzonder nuttig voor biologisch onderzoek omdat ze geen bedreiging vormen voor delicate levende structuren. Dit betekent dat wanneer nanodiamanten die SiV-centra bevatten in cellen worden geïnjecteerd, ze de microscopische temperatuurvariaties van hun interieur kunnen meten met een nauwkeurigheid van minder dan Kelvin, waardoor biologen de biochemische reacties die binnenin plaatsvinden nauwkeurig kunnen bestuderen.
Tot nu toe zijn SiV-nanodiamanten grotendeels geproduceerd door middel van technieken zoals chemische dampafzetting en het onderwerpen van vaste koolstof aan extreme temperaturen en drukken. Voorlopig kunnen deze methoden echter alleen nanodiamanten fabriceren tot een grootte van ongeveer 200 nm - nog steeds groot genoeg om delicate celstructuren te beschadigen.
In hun studie ontwikkelden Mizuochi en team een alternatieve benadering, waarbij ze eerst silicium mengden met een zorgvuldig geselecteerde mix van explosieven. Na ontploffing van het mengsel in een CO2 atmosfeer, behandelden ze vervolgens de producten van de explosie in een meertrapsproces, waaronder: het verwijderen van roet en metaalverontreinigingen met een gemengd zuur; het verdunnen en spoelen van de producten met gedeïoniseerd water; en het coaten van de nanodiamanten die overbleven met een biocompatibel polymeer.
Ten slotte gebruikten de onderzoekers een centrifuge om eventuele grotere nanodiamanten eruit te filteren. Het eindresultaat was een partij uniforme, bolvormige SiV-nanodiamanten met een gemiddelde grootte van ongeveer 20 nm: de kleinste nanodiamanten die ooit zijn gebruikt om thermometrie aan te tonen met behulp van fotoluminescente roosterdefecten. Door een reeks experimenten observeerden Mizuochi en collega's duidelijke lineaire verschuivingen in de fotoluminescente spectra van hun nanodiamanten, bij temperaturen variërend van 22 tot 45 °C - die de variaties omvatten die in de meeste levende systemen worden aangetroffen.
Nanodiamanten meten thermische geleidbaarheid in levende cellen
Het succes van deze aanpak opent nu de deur naar veel gedetailleerdere, niet-invasieve thermometrie vanuit de celinterieurs. Vervolgens wil het team het aantal SiV-centra in elke nanodiamant optimaliseren, waardoor ze nog gevoeliger worden voor hun thermische omgeving. Met deze verbeteringen hopen de onderzoekers dat deze structuren kunnen worden gebruikt om organellen te bestuderen: de nog kleinere en delicatere subeenheden van cellen, die essentieel zijn voor het functioneren van alle levende organismen.
De onderzoekers beschrijven hun bevindingen in Carbon Fibre.
