Секрет невероятно точного измерения температуры единичных человеческих клеток — в использовании золота и бриллиантов. Но на самом деле, всё не так роскошно, как кажется. Команда физиков из Гарвардского университета (Harvard University) во главе с Михаилом Лукиным (http://www.physics.harvard.edu/people/facpages/lukin.html) вживили в человеческую клетку очень маленькие алмазы, а точнее наноалмазы — их диаметр составлял всего 100 нанометров. Эти микроскопические камешки способны измерить температуру с точностью до 0,001 градуса.
"Теперь у нас есть прибор для контроля температуры на клеточном уровне. Это позволит подробнее изучить реакции биологических систем на температурные изменения", — рассказывает член команды разработчиков новой методики Питер Маурер (Peter Maurer).
Алмазы — не просто красивые камни, пригодные лишь для ювелирного дела, они также незаменимы в высоких технологиях, например, при изготовлении квантовых компьютеров. Дело в том, что алмазы прекрасно справляются с передачей квантовой информации. В обычных компьютерах информация хранится в двоичных единицах информации или битах, которые могут принимать значение либо "1", либо "0". Но квантовые биты или "кубиты" могут принимать значения "1" и "0" одновременно, а также все промежуточные значения.
Алмазы могут хранить кубиты в электронном состоянии примесей кристаллической решётки углерода. Эти примеси на самом деле выглядят следующим образом: вместо одного из атомов углерода в решётке стоит один атом азота, а в соседнем узле кристаллической решётки располагается вакансия (отсутствующий атом углерода).
Учёные решили использовать эти пробелы и азотные примеси в своих интересах. Электроны, входящие в состав атомов азота, чрезвычайно чувствительны к магнитным полям. Поэтому наноалмаз с единичными атомами азота можно использовать в магнитно-резонансной томографии. Эти магнитные зонды крайне чувствительны и к минимальным температурным перепадам, а значит, они могут послужить прекрасными термометрами.
Проводимый эксперимент походил на работу ювелиров: исследователи использовали нанопровод, чтобы вживить микроскопические алмазы внутрь эмбриональной клетки человека. Затем на клетку направили луч зелёного лазера. Азотные примеси и вакансии в результате стали причиной появления красной флуоресценции.
Интенсивность красного свечения зависела от локальных температур внутри клетки. Достаточно было с помощью чувствительных приборов измерить яркость испускаемого света, чтобы определить температуру всей клетки с точностью до 0,001 градуса. Так как алмазы отлично проводят тепло, нанотермометры хорошо отражают температуру клетки.
На втором этапе эксперимента в ход пошли не только драгоценные камни, но и драгоценные металлы. Физики вживили в клетку наночастицы золота и также направили на них узкий лазерный луч. Золото нагревалось и параллельно повышало температуру в различных частях клетки. Процесс контролировали с помощью всё тех же алмазов: нанотермометры показывали, где именно стало теплее и насколько.
"Алмазные нанотермометры могут быть очень полезны биологам. Многие процессы, начиная от экспрессии генов и заканчивая клеточным метаболизмом, тесно взаимосвязаны с перепадами температур. Биологи могут изучать развитие простейших организмов, круглых червей, к примеру, путём измерения температуры на клеточном уровне. Можно нагревать отдельные клетки и смотреть, ускорится или замедлится развитие соседних", — предлагает Маурер.
Применение для нанотермометра найдётся и в области химии, считает автор одного из похожих исследований Дэвид Оушалом (David Awschalom) из Калифорнийского университета. С помощью микроскопических алмазов можно будет проследить за потоками тепла, воздействующими на химические реакции, особенно в тех случаях, когда соприкасаются две субстанции.
Отметим, что гарвардская команда физиков — далеко не первая среди тех, кто пытался создать сверхточный нанотермометр.
"Наши коллеги использовали флуоресцентные молекулы для слежения за температурными изменениями в человеческих клетках. Методика, которую применили мы, в 10 раз точнее всех остальных — наш термометр способен почувствовать флуктуации до 0,05 Кельвина (0,044 °C)", — рассказывает Маурер.
Впрочем, учёным ещё есть к чему стремиться: если поместить термометр за пределы клетки, то его чувствительность повышается до 0,0018 Кельвинов (0,0016 °C).
Об экспериментах и результатах своих трудов Маурер и его коллеги написали статью, которая вышла в журнале Nature.
Также по теме:
Предложено измерять температуру по-новому
Физики протестировали сверхточные атомные часы
На Большом адронном коллайдере поставлен мировой рекорд температуры
Канадская школьница создала фонарь, работающий от тепла человеческого тела
