Новости. События.

16 августа 2013 г. Термометрия внутри живой биологической клетки.

Наноразмерные кристаллы алмаза диаметром 100 нм, легированные азотом, позволили группе физиков и биологов из Гарвардского университета (руководитель группы Михаил Лукин) и Университета Гонконга измерить температуру разных участков биологической клетки (использовались эмбриональные клетки человека)[1].

В каждом нанокристалле алмаза диаметром 100 нм, использованном в работе как термометр, содержится примерно 100 миллионов атомов углерода и 500 атомов азота. При этом образуются центры окраски NV, состоящие из атома азота в узле кристаллической решетки и вакансии (отсутствии атома) в соседнем узле. Такой центр способен поглощать свет с энергией квантов выше порогового значения и сразу же излучать свет в более длинноволновой области (фотолюминесценция). Интенсивность лазерно-индуцированной фотолюминесценции чувствительна к температуре кристалла.

Считывание информации о температуре нанокристалла осуществлялось в [1] по измерению интенсивности фотолюминесценции в красной области спектра, возбуждаемой лазерным излучением с длиной волны в зеленой области спектра. Метод позволяет регистрировать изменения температуры кристалла на 0.002 К. В единичную клетку можно поместить довольно много кристаллов-термометров, чтобы видеть распределение температур внутри клетки.

В той же работе, но в другом эксперименте, в клетку имплантировали наночастицы золота, которые поглощали лазерное излучение и нагревались, а степень нагревания измерялась теми же алмазными нанотермометрами, расположенными поблизости внутри клетки. Таким образом, удалось определить повышение температуры в окрестности золотых частиц, нагреваемых лазерным излучением, непосредственно в живой клетке.

Регистрируемый в данной работе температурно-чувствительный сигнал (интенсивность фотолюминесценции) присутствует не только при облучении нанокристаллов алмаза размером 100 нм, но и крупных алмазов с размером, например, 5х5х1 мм3 (массой почти 0.1 карат). Спектры возбуждения и излучения фотолюминесценции алмазов хорошо изучены[2,3]. Вряд ли нанокристалл размером 100 нм заметно отличается по оптическим свойствам от больших алмазов. Размерное квантование и существенно новые оптические свойства характерны для полупроводниковых и диэлектрических частиц с размерами, в 10-30 раз меньшими, чем 100 нм. Но прежде для измерения температуры алмаза фотолюминесценцию не применяли, известны лишь работы по термометрии алмаза методом комбинационного рассеяния (ссылки в [4]).

Каковы другие измерительные особенности нового метода? Вероятно, он не обеспечивает высокого быстродействия - из-за того, что в нанокристалле алмаза содержится всего 500 атомов азота и примерно столько же центров NV, которые поглощают кванты света достаточно редко, а затем высвечиваются не мгновенно, и требуется время, чтобы накопить сигнал фотолюминесценции. Высокую интенсивность лазерного излучения для возбуждения более яркой люминесценции применять нельзя – все-таки процесс идет в живой клетке. Но в этой же живой клетке существует немало и таких задач, где высокое быстродействие не требуется.

Таким образом, использовав фотолюминесценцию алмаза для измерения его температуры, авторы работы [1] получили новый метод термометрии биологических сред и объектов (алмаз является одним из лучших материалов по биосовместимости, он не вызывает отторжения живыми тканями). Использовав кристаллы с размерами 100 нм, авторы получили новые приборы для измерения температуры окружающей среды (с которой алмаз находится в тепловом равновесии) с очень высоким пространственным разрешением. Это позволило поместить новые приборы в живую клетку, при этом авторы получили возможность измерять температуры нового объекта – внутренней среды клетки, характерные размеры которой составляют по порядку величины 10 мкм (в 100 раз больше, чем размер применяемого термометра). В работе достигнут очень значительный результат. В ближайшем будущем можно ожидать появления многих работ в том же направлении. На основе нового метода термометрии клетки будут, вероятно, созданы новые исследовательские программы в биофизике, биологии и медицине.

Аналоги таких нанотермометров известны давно. В середине 90-х годов температуру полупроводниковых микрочастиц (с размерами от микрометров до десятков микрометров), нагреваемых лазером, измеряли с помощью другого лазера (методом комбинационного рассеяния света); температуру микрочастиц в плазме измеряли с помощью лазерно-индуцированной флуоресценции (ссылки в [4]). Но в 90-е годы не было достигнуто ни такого высокого пространственного разрешения, ни такой высокой температурной чувствительности. Кроме того, тогда не было найдено такое перспективное применение нового метода, как в замечательной работе [1] 2013 года.

В 2010 году группа химиков ((Daniel Gamelin et al.) из Университета штата Вашингтон (г. Сиэттл, США) создала оптические термометры на основе легированных полупроводниковых нанокристаллов, спектр фотолюминесценции которых существенно изменялся с температурой[5]: если при температуре 210 К частицы светились желтым светом (длина волны в максимуме интенсивности 580 нм), то при нагревании до 400 К цвет люминесценции становился зеленым (длина волны 520 нм). Это позволяло измерять температуру нанокристаллов с точностью порядка 0.1 К. Вероятно, можно было достичь и более высокой точности. Но под рукой у исследователей не оказалось такой богатой задачи, как термометрия с субмикронным пространственным разрешением внутри живых клеток.

В начале 90-х годов для измерения температуры биологических клеток и элементов интегральных микросхем были созданы термопары с диаметром спая 1 мкм[4,6]. Недавно удалось достичь примерно в десять раз меньших размеров спая термопары[7]. Но здесь результат лежит лишь в методической области и пока что не дает новых результатов в предметных областях. Работать с контактными термометрами микронных и субмикронных размеров трудно, хотя и не невозможно. Но гораздо удобнее устранить электрические проводники контактного термометра и регистрировать другие сигналы, связанные с температурой. Предпочтение в конце концов окажется на стороне того метода, с помощью которого будет получено больше данных о том, что происходит в клетке.

На примере работы [1] исследователей из США и Китая видно, как важно при создании нового метода получить новые результаты в предметной области, где применение традиционных методов неэффективно или невозможно. Распределение температуры внутри живой клетки ранее никто не измерял, и неизвестно было, как это сделать (тепловое излучение живой клетки имеет примерно те же длины волн, что и размер самой клетки, поэтому высокое разрешение в пределах одной клетки методами пирометрии обеспечить невозможно). Полученные результаты сразу подтверждают высокие измерительные возможности нового метода и его исследовательский потенциал. Если бы таких результатов не было получено, метод мог надолго остаться существующим только на бумаге, в виде методической статьи.

Обзор последних достижений термометрии в области нанометровых масштабов опубликован в 2012 году[8].

1. G. Kucsko, P. C. Maurer, N. Y. Yao, M. Kubo, H. J. Noh, P. K. Lo, H. Park & M. D. Lukin, Nanometre-scale thermometry in a living cell // Nature. 2013. V.500. P.54-58. 01 Aug 2013. (http://www.nature.com/nature/journal/v500/n7460/full/nature12373#affil-auth).

2. Алмаз в электронной технике. Под ред. В.Б.Кваскова. М.: Энергоатомиздат, 1990.

3. Zaitsev A.M., Optical properties of diamond: a data handbook. Berlin, etc.: Springer, 2001.

4. Магунов А.Н., Лазерная термометрия твердых тел. М.: Физматлит, 2001.

5. Semiconductor nanocrystals make ideal optical thermometers (http://nanotechweb.org/cws/article/tech/43633).

6. Z. Dashevsky, D. Rabinovich, Ultrafast response and high sensitivity semiconductor thermocouple // 15th Int Conf on Thermoelectrics. 1996. P.321-325.

7. M.E. Bourg, W.E. van der Veer, A.G. Gruell, R.M. Penner, Electrodeposited submicron thermocouples with microsecond response times // Nano Letters. 2007. V.7. P. 3208-3213.

8. C.D.S. Brites, P.P. Lima, N.J.O. Silva, et al., Thermometry at the nanoscale // Nanoscale. 2012. V.4. P.4799-4829 (http://digital.csic.es/bitstream/10261/76059/1/Thermometry%20at.pdf).

 

Дополнение. Природные и синтетические алмазы (не наноразмерные, а намного более крупные) уже 50 лет применяются для измерений температуры. Литература об алмазных терморезисторах и термисторах приведена на форуме портала «Температура» (http://temperatures.ru/community/viewtopic.php?t=174). Преимущество алмазных термометров в том, что они могут работать при высоких температурах (до 1000-1200 К). Последние отечественные разработки в этой области описаны в статьях сотрудников Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ, г. Троицк, МО):

•Blank V.D., Buga S.G., Bormashov V.S., et al., Pulse thermometers based on synthetic single crystal boron-doped diamonds // Diamonds&Related Materials. 2007. V.16, No. 4-7. P.970-973.

•Бормашов В.С., Буга С.Г., Бланк В.Д. и др., Быстродействующие терморезисторы из синтетических монокристаллов алмазов // Приборы и техника эксперимента. 2009. № 5. С.134-139.

•Шамраков А., Ефимов П., Альшевский Ю. и др., Датчики температуры на основе монокристалла синтетического алмаза // Наноиндустрия. 2010. №3. С.26-28. Текст в открытом доступе: http://www.nanoindustry.su/journal/article/1785.

 

© 2012-2018 - НИИ ПМТ