Квантовый термометр для нематод
Измерение температуры живых организмов в режиме реального времени имеет высокую важность в рамках научных исследований, где необходимо оценивать динамику биологической активности отдельных участков тел исследуемых организмов.
Точечная информация о температуре в субмикронном масштабе позволит ученым приблизиться к более глубокому пониманию клеточной и молекулярной активностей. Эти данные могут использоваться для создания тепловизионных карт внутренних органов, в частности, субтканевых структур головного мозга. Однако для осуществления подобных измерений требовалось уменьшить биосовместимые термометры до субмикрометрового масштаба, что на деле оказалось весьма нетривиальной задачей.
Но в 2020 году группе ученых из Германии, Японии, Китая и США удалось решить эту проблему. Они создали квантовый наноалмазный (ND) термометр и продемонстрировали его работу в естественных условиях, измерив температуру внутри тела живых круглых червей (нематод) вида Caenorhabditis elegans. В рамках эксперимента ученым удалось определить локальное повышение температуры в определенных участках тела червей, в которые предварительно были введены вещества, увеличивающие митохондриальную активность отдельных клеток и, как следствие, их температуру. Длина использованной учеными нематоды составила 1 мм, ширина – 70 мкм, а точность измерения температуры составила ±0.22°C. В сентябре текущего года эта работа была опубликована в научном издании Science Advances.
Нужно понимать, что в настоящее время «нанометровый термометр» представляет собой конфокальный флуоресцентный микроскоп вполне привычных размеров, снабженный установкой для микроволнового облучения изучаемых образцов. Определение температуры осуществляется за счет оценки сенсором сдвига частоты оптически обнаруживаемого магнитного резонанса (ODMR) дефектных центров «азот-вакансия» (NV) в кристаллических решетках алмазов, который напрямую связан с их тепловым расширением.
Безусловно, технология далека от идеального воплощения, и пока существует множество не до конца решенных проблем. Например, микроскопические алмазные частицы, будучи внедренными в тело червя, движутся гораздо быстрее, чем в культивируемых лабораторно клетках, что требует использования высокоточных алгоритмов быстрого отслеживания нанометровых частиц. Кроме того, само перемещение микроалмазов существенно влияет на процессы измерения температуры и, скорее всего, вносит определенные искажения. В настоящем эксперименте эти проблемы были преодолены с помощью подгонки устройства нанотермометра под особенности конкретного организма. Однако о легкости настройки и универсальности изобретения говорить пока рано. В то же время, очевидно, что разработку ждет большое прикладное будущее в биомедицине и биохимии.