Gjennom en eksplosiv teknikk har forskere i Japan produsert de minste nanodiamantene til dags dato, i stand til å undersøke mikroskopiske temperaturforskjeller i omgivelsene rundt. Med en nøye kontrollert eksplosjon, etterfulgt av en flertrinns renseprosess, Norikazu Mizuochi og et team ved Kyoto University produserte fotoluminescerende nanodiamanter rundt 10 ganger mindre enn de som ble produsert med eksisterende teknikker. Innovasjonen kan forbedre forskernes evne til å studere de små temperaturforskjellene som finnes inne i levende celler.
Nylig har silisiumledighetssentre (SiV) i diamant dukket opp som et lovende verktøy for å måle variasjoner i temperatur på tvers av nanoskalaregioner. Disse defektene dannes når to tilstøtende karbonatomer i diamantens molekylære gitter erstattes med et enkelt silisiumatom. Når de bestråles med en laser, vil disse atomene fluorescere sterkt over et smalt område av synlige eller nær-infrarøde bølgelengder - hvis topper skifter lineært med temperaturen i diamantens omgivelser.
Disse bølgelengdene er spesielt nyttige for biologiske undersøkelser, da de ikke utgjør noen trussel mot delikate levende strukturer. Dette betyr at når nanodiamanter som inneholder SiV-sentre injiseres inn i cellene, kan de undersøke de mikroskopiske temperaturvariasjonene i deres indre med sub-kelvin-presisjon – slik at biologer kan studere de biokjemiske reaksjonene som finner sted på innsiden.
Så langt har SiV nanodiamanter i stor grad blitt produsert gjennom teknikker inkludert kjemisk dampavsetning, og utsette fast karbon for ekstreme temperaturer og trykk. Foreløpig kan imidlertid disse metodene bare fremstille nanodiamanter ned til størrelser på omtrent 200 nm - fortsatt store nok til å skade delikate cellulære strukturer.
I studien deres utviklet Mizuochi og teamet en alternativ tilnærming, der de først blandet silisium med en nøye utvalgt blanding av eksplosiver. Etter detonering av blandingen i en CO2 atmosfæren behandlet de deretter eksplosjonens produkter i en flertrinnsprosess, som inkluderte: fjerning av sot og metallurenheter med en blandet syre; fortynning og skylling av produktene med avionisert vann; og belegg nanodiamantene som ble igjen med en biokompatibel polymer.
Til slutt brukte forskerne en sentrifuge for å filtrere ut eventuelle større nanodiamanter. Sluttresultatet var en batch med ensartede, sfæriske SiV nanodiamanter med en gjennomsnittlig størrelse på omtrent 20 nm: de minste nanodiamantene som noen gang er brukt for å demonstrere termometri ved bruk av fotoluminescerende gitterdefekter. Gjennom en rekke eksperimenter observerte Mizuochi og kolleger klare lineære skift i de fotoluminescerende spektrene til deres nanodiamanter, over temperaturer fra 22 til 45 °C – som omfatter variasjonene som finnes i de fleste levende systemer.
Nanodiamanter måler termisk ledningsevne i levende celler
Suksessen med denne tilnærmingen åpner nå døren for langt mer detaljert, ikke-invasiv termometri fra celleinteriør. Deretter tar teamet sikte på å optimalisere antall SiV-sentre i hver nanodiamant, noe som gjør dem enda mer følsomme for sine termiske miljøer. Med disse forbedringene håper forskerne at disse strukturene kan brukes til å studere organeller: de enda mindre og mer delikate underenhetene til celler, som er avgjørende for funksjonen til alle levende organismer.
Forskerne beskriver funnene sine i Carbon.
