Genom en explosiv teknik har forskare i Japan producerat de minsta nanodiamanterna hittills, som kan undersöka mikroskopiska temperaturskillnader i deras omgivande miljö. Med en noggrant kontrollerad explosion, följt av en reningsprocess i flera steg, Norikazu Mizuochi och ett team vid Kyoto University tillverkade fotoluminescerande nanodiamanter cirka 10 gånger mindre än de som tillverkats med befintliga tekniker. Innovationen kan avsevärt förbättra forskarnas förmåga att studera de små temperaturskillnader som finns inuti levande celler.
Nyligen har silicon-vacancy (SiV) centra i diamant dykt upp som ett lovande verktyg för att mäta variationer i temperatur över nanoskala regioner. Dessa defekter bildas när två angränsande kolatomer i diamantens molekylära gitter ersätts med en enda kiselatom. När de bestrålas med laser kommer dessa atomer att fluorescera ljust över ett smalt område av synliga eller nära-infraröda våglängder – vars toppar skiftar linjärt med temperaturen i diamantens omgivning.
Dessa våglängder är särskilt användbara för biologiska undersökningar eftersom de inte utgör något hot mot känsliga levande strukturer. Detta innebär att när nanodiamanter som innehåller SiV-centra injiceras i celler, kan de undersöka de mikroskopiska temperaturvariationerna i deras interiörer med subkelvin-precision - vilket gör att biologer kan noggrant studera de biokemiska reaktionerna som äger rum inuti.
Hittills har SiV nanodiamanter till stor del framställts genom tekniker inklusive kemisk ångavsättning och genom att utsätta fast kol för extrema temperaturer och tryck. Men för närvarande kan dessa metoder bara tillverka nanodiamanter ner till storlekar på ungefär 200 nm - fortfarande tillräckligt stora för att skada känsliga cellulära strukturer.
I sin studie utvecklade Mizuochi och team ett alternativt tillvägagångssätt, där de först blandade kisel med en noggrant utvald blandning av sprängämnen. Efter att ha detonerat blandningen i en CO2 atmosfären behandlade de sedan explosionens produkter i en flerstegsprocess, som innefattade: avlägsnande av eventuellt sot och metallföroreningar med en blandad syra; spädning och sköljning av produkterna med avjoniserat vatten; och belägga nanodiamanterna som blev kvar med en biokompatibel polymer.
Slutligen använde forskarna en centrifug för att filtrera bort eventuella större nanodiamanter. Slutresultatet var en sats av enhetliga, sfäriska SiV nanodiamanter med en genomsnittlig storlek på ungefär 20 nm: de minsta nanodiamanter som någonsin använts för att demonstrera termometri med fotoluminescerande gitterdefekter. Genom en serie experiment observerade Mizuochi och kollegor tydliga linjära förskjutningar i de fotoluminescerande spektra av deras nanodiamanter, över temperaturer som sträcker sig från 22 till 45 °C – som omfattar variationerna som finns i de flesta levande system.
Nanodiamanter mäter värmeledningsförmåga i levande celler
Framgången med detta tillvägagångssätt öppnar nu dörren för mycket mer detaljerad, icke-invasiv termometri inifrån cellulära interiörer. Därefter siktar teamet på att optimera antalet SiV-center i varje nanodiamant, vilket gör dem ännu mer känsliga för sina termiska miljöer. Med dessa förbättringar hoppas forskarna att dessa strukturer kan användas för att studera organeller: de ännu mindre och mer känsliga subenheterna av celler, som är avgörande för alla levande organismers funktion.
Forskarna beskriver sina fynd i Kol.
