С помощью взрывного метода исследователи в Японии произвели самые маленькие на сегодняшний день наноалмазы, способные исследовать микроскопические различия температур в окружающей среде. С тщательно контролируемым взрывом, за которым следует многоэтапный процесс очистки, Нориказу Мидзуочи и команда из Киотского университета изготовила фотолюминесцентные наноалмазы примерно в 10 раз меньше тех, которые производятся с помощью существующих технологий. Нововведение может существенно улучшить способность исследователей изучать мельчайшие различия температур внутри живых клеток.
Недавно кремниево-вакансионные (SiV) центры в алмазе стали перспективным инструментом для измерения изменений температуры в наноразмерных областях. Эти дефекты образуются, когда два соседних атома углерода в молекулярной решетке алмаза замещаются одним атомом кремния. При облучении лазером эти атомы будут ярко флуоресцировать в узком диапазоне видимого или ближнего инфракрасного диапазона длин волн, пики которых линейно смещаются в зависимости от температуры окружающей среды алмаза.
Эти длины волн особенно полезны для биологических исследований, поскольку они не представляют угрозы для хрупких живых структур. Это означает, что когда наноалмазы, содержащие центры SiV, вводятся в клетки, они могут исследовать микроскопические изменения температуры их внутренних частей с точностью до кельвина, что позволяет биологам внимательно изучать биохимические реакции, происходящие внутри.
До сих пор наноалмазы SiV в основном производились с помощью методов, включая химическое осаждение из паровой фазы и воздействие на твердый углерод экстремальных температур и давлений. Однако на данный момент с помощью этих методов можно производить наноалмазы только размером примерно до 200 нм, что все же достаточно для повреждения тонких клеточных структур.
В своем исследовании Мизуочи и его команда разработали альтернативный подход, при котором они сначала смешали кремний с тщательно подобранной смесью взрывчатых веществ. После детонации смеси в CO2 атмосферу, затем они обрабатывали продукты взрыва в многоступенчатом процессе, который включал: удаление сажи и металлических примесей с помощью смешанной кислоты; разбавление и ополаскивание продуктов деионизированной водой; и покрытие оставшихся наноалмазов биосовместимым полимером.
Наконец, исследователи использовали центрифугу, чтобы отфильтровать более крупные наноалмазы. Конечным результатом стала партия однородных сферических наноалмазов SiV со средним размером примерно 20 нм: самые маленькие наноалмазы, когда-либо использовавшиеся для демонстрации термометрии с использованием фотолюминесцентных дефектов решетки. В ходе серии экспериментов Мизуочи и его коллеги наблюдали четкие линейные сдвиги в фотолюминесцентных спектрах своих наноалмазов в диапазоне температур от 22 до 45 °C, что охватывает вариации, обнаруженные в большинстве живых систем.
Наноалмазы измеряют теплопроводность живых клеток
Успех этого подхода теперь открывает двери для гораздо более детальной и неинвазивной термометрии изнутри клеток. Далее команда стремится оптимизировать количество SiV-центров в каждом наноалмазе, сделав их еще более чувствительными к температурному окружению. Исследователи надеются, что благодаря этим улучшениям эти структуры можно будет использовать для изучения органелл: еще более мелких и деликатных субъединиц клеток, которые жизненно важны для функционирования всех живых организмов.
Исследователи описывают свои выводы в Carbon.
