За допомогою вибухової техніки дослідники з Японії виготовили найменші наноалмази на сьогоднішній день, здатні досліджувати мікроскопічні перепади температури в навколишньому середовищі. Завдяки ретельно контрольованому вибуху з подальшим багатоетапним процесом очищення, Норікацу Мізуочі і команда з Університету Кіото виготовила фотолюмінесцентні наноалмази приблизно в 10 разів менші за ті, що виготовляються за допомогою існуючих технологій. Інновація може значно покращити здатність дослідників вивчати найменші перепади температури всередині живих клітин.
Нещодавно центри кремнієвих вакансій (SiV) в алмазі стали багатообіцяючим інструментом для вимірювання коливань температури в нанорозмірних областях. Ці дефекти утворюються, коли два сусідні атоми вуглецю в молекулярній решітці алмазу замінюються одним атомом кремнію. При опроміненні лазером ці атоми будуть яскраво флуоресціювати у вузькому діапазоні видимих або ближніх інфрачервоних довжин хвиль, піки яких змінюються лінійно залежно від температури оточення алмазу.
Ці довжини хвиль особливо корисні для біологічних досліджень, оскільки вони не становлять загрози для делікатних живих структур. Це означає, що коли наноалмази, що містять SiV-центри, вводять у клітини, вони можуть досліджувати мікроскопічні коливання температури всередині з точністю до субкельвіна, що дозволяє біологам уважно вивчати біохімічні реакції, що відбуваються всередині.
Досі наноалмази SiV в основному виготовляли за допомогою методів, включаючи хімічне осадження з парової фази та піддавання твердого вуглецю екстремальним температурам і тиску. Однак на даний момент ці методи дозволяють виготовляти лише наноалмази розміром приблизно 200 нм — все ще досить великі, щоб пошкодити делікатні клітинні структури.
У своєму дослідженні Мізуочі та команда розробили альтернативний підхід, де вони спочатку змішали кремній з ретельно підібраною сумішшю вибухових речовин. Після детонації суміші в CO2 атмосферу, потім вони обробили продукти вибуху в багатоетапному процесі, який включав: видалення будь-якої сажі та металевих домішок змішаною кислотою; розведення та промивання продуктів деіонізованою водою; і покриття наноалмазів, які залишилися, біосумісним полімером.
Нарешті, дослідники використали центрифугу, щоб відфільтрувати будь-які більші наноалмази. Кінцевим результатом стала партія рівномірних сферичних наноалмазів SiV із середнім розміром приблизно 20 нм: найменші наноалмази, які коли-небудь використовувалися для демонстрації термометрії з використанням фотолюмінесцентних дефектів решітки. За допомогою серії експериментів Мізуочі та його колеги спостерігали чіткі лінійні зрушення у фотолюмінесцентних спектрах їхніх наноалмазів у діапазоні температур від 22 до 45 °C – охоплюючи варіації, виявлені в більшості живих систем.
Наноалмази вимірюють теплопровідність живих клітин
Успіх цього підходу тепер відкриває двері для набагато більш детальної, неінвазивної термометрії зсередини клітин. Далі команда прагне оптимізувати кількість SiV-центрів у кожному наноалмазі, роблячи їх ще більш чутливими до теплового середовища. Завдяки цим удосконаленням дослідники сподіваються, що ці структури можна буде використовувати для вивчення органел: ще менших і делікатніших субодиниць клітин, які є життєво важливими для функціонування всіх живих організмів.
Дослідники описують свої відкриття в Вуглець.
