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激光辐照纳米金刚石传感器可以同时作为加热源和温度计

激光辐照 传感器
发布:2021-01-19 11:18:33     来源:江苏激光产业技术创新战略联盟

科学家使用微型的涂敷有热释放聚合物的纳米金刚石来探测细胞的热性质.当被激光所发射的光照射时,传感器将同时作为加热器和温度计来进行工作,使得细胞的内部的热导率可以被计算出来.这一工作将会导致一套新的杀死细菌或 癌症细胞的热处理技术的问世。

 

多多巴胺与荧光纳米金刚石杂化粒子的表征▲图解:多多巴胺与荧光纳米金刚石杂化粒子的表征( polydopamine and fluorescent nanodiamond hybrid particles ) :(a)纳米金刚石量子传感器涂敷 热原聚合物之后的结构表征;以及它如何作为杂化加热器和温度计进行工作的; (b) 杂化传感器的电子显微镜照片. (c) 杂化传感器用于测量纳米热导率的工作原理.在一个高的热导率的介质中,金刚石传感器温度的增加,是因为热比较容易扩散开来.相反,在一个低的热导率的介质中,温度的升高非常显著.细胞内热导率可以通过测量细胞内的杂化传感器温度的变化来决定

在细胞产热的时候,在纳米层面理解热扩散过程对于澄清细胞和有机物中的热和生物过程是至关重要的的。一个决定细胞内部的热流的关键参数是局部的热导率,这是一个在实验上和理论上均研究的比较薄弱的参数。

来自日本大阪大学,昆士兰大学和新加坡国立大学工学院的的科学家,使用微型的涂敷有热释放聚合物的纳米金刚石来探测细胞的热性质。当被激光所发射的光照射时,传感器将同时作为加热器和温度计来进行工作,使得细胞的内部的热导率可以被计算出来。这一工作将会导致一套新的杀死细菌或 癌症细胞的热处理技术的问世。

尽管细胞是所有有机生物体的基本单元,一些细胞在在生物体内进行的物理性质依然很难研究。例如,细胞的热导率,以及热可以通过一个目标从一边向另外一边的传递(细胞一边是热的,而另外一边是冷的情况下),依然保持着非常神秘的色彩。这一知识上的欠缺对于诸如发展目标癌症细胞的热疗法,以及回答关于细胞运行的基本问题等方面的应用都是非常重要的。


 PDA-FNDs 的生物相容性和亚细胞定位

如今,研究团队发展了一个技术来确定活体细胞的热导率,其测量的空间分辩率为200nm。他们制造出一个微型的涂敷聚合物,多多巴胺的金刚石,该金刚石在激光的照射下同时发射出荧光和倍加热。实验结果表明这一粒子是无毒的,可以用在活体细胞中进行工作。当在一个液体或细胞内部的时候,热导致纳米金刚石的温度升高.在高热导率的介质中,纳米金刚石并不会变得非常热,这是因为热会迅速的扩散掉,但在一个低热导率的环境中,纳米金刚石会变得非常热。关键性的是,发射的光的性质取决于温度,因此研究团队可以通过传感器对环境的策零计算出热流的速率。


 ▲图解:(a) 杂化传感器在空气中,在油中和在细胞内观察到的温度的升高,这些结果同在高的温度增加发生在溶剂中具有小的热传导率时候的观点相吻合。文献中空气、水、油的热导率分别为0.026, 0.61, and 0.135 W/m* K. (b)细胞内部的含有杂化传感器的时候得到的明场显微镜照片

具有一个好的空间分辨率使得测量细胞内部不同的位置变得非常容易,我们发现热扩散在细胞内部的速率,在采用杂化纳米传感器进行测量的时候,比在纯水中慢好几倍,这是令人惊奇的研究结果,但仍然需要在理论解释上给出综合的解释和确定位置,文章的作者Taras Plakhotnik说到。

除了提高热为基础的处理来针对癌症的治疗之外,我们正在思考将这一工作应用到一个更好的理解代谢紊乱的潜在作用上,如肥胖症的治疗和理解上,作者 Madoka Suzuki说到.这一工具将同时可以作为细胞的基础研究,例如,来检测生物化学反应的实时状况。

 

在空气、水、矿物油和 HeLa细胞中的局部热动率的原位测量结果

目前,这一研究成果以论文题目"In situ measurements of intracellular thermal conductivity using heater thermometer hybrid diamond nanosensors"发表在近期出版的顶刊《Science Advances》上。

GaN 纳米膜黏附在细胞上.当脉冲激光照射到纳米膜的时候,热就会经由金微型圆盘转移到细胞上

▲图解:通过监测光致发光(蓝色箭头)的发射,研究人员就可以计算出细胞的热转移性质

文章来源:"In situ measurements of intracellular thermal conductivity using heater-thermometer hybrid diamond nanosensors" Science Advances (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abd7888以及Osaka University,KAUST Rami ElAfandy

Rami T. ElAfandy et al. Nanomembrane-Based, Thermal-Transport Biosensor for Living Cells, Small (2017). DOI: 10.1002/smll.201603080

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