Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um die komplizierte Dynamik in lebenden Zellen zu untersuchen, indem sie optisch eingefangene Nanodiamantpartikel als intrazelluläre Sensoren verwenden. Unter Verwendung einer speziell angefertigten optischen Pinzette fing das Forschungsteam die Partikel in der Zelle bei niedriger Leistung ein, während die Zelle lebte. Die Arbeit stellt einen wichtigen Fortschritt in der Quantensensorik dar, die sich die Quantenmechanik zunutze macht, um Veränderungen auf atomarer Ebene zu analysieren.
Die Forscher verwendeten optische Pinzetten, um Nanodiamantpartikel in einzelnen Leukämiezellen einzufangen, und demonstrierten dann, wie die Partikel verwendet werden können, um magnetisches Rauschen innerhalb der Zelle zu messen. Fatemeh Kalantarifard von der Technischen Universität Dänemark wird die Arbeit im Detail erläutern Opticas Biophotonik-Kongress findet in Vancouver, British Columbia statt und ist vom 23. bis 27. April 2023 online. Die Präsentation von Kalantarifard ist für Montag, den 24. April geplant.
Optisch gefangene Nanodiamanten
Fluoreszierende Nanodiamanten (FNDs) haben das Interesse als vielversprechende Emitter und Sensoren für verschiedene Anwendungen geweckt. Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften von FNDs ist die Erfassung physikalischer Parameter, einschließlich Temperatur und Magnetfeld, durch Quantensensorik. Die Diamant-Quantensensorik basiert auf einem paramagnetischen Defekt im Diamant, dem Stickstoff-Leerstellenzentrum (NV), das das Auslesen des temperatur- und magnetfeldabhängigen Elektronenspins im Nanomaßstab ermöglicht.
Kürzlich haben Forscher fluoreszierende Nanodiamanten mit NV-Zentren als intrazelluläre Sensoren verwendet. In der auf der Konferenz vorgestellten Arbeit kombinierten die Forscher das Einfangen von FNDs mit spinbasierten Photolumineszenz-Messtechniken, die bei der diamantbasierten Sensorik in einer einzigen Zelle üblich sind. FNDs wurden zuerst von Zellen einer menschlichen Leukämie-Zelllinie endozytiert und dann von einem nahen IR-Laser (1064 nm Wellenlänge) mit geringer Leistung eingefangen, während die Zelle am Leben blieb.
Sensorik im Nanomaßstab
Sobald die Nanodiamanten in den Zellen und/oder auf der Zelloberfläche platziert waren, führten die Forscher T1-Relaxometrie-Messungen durch, um ihre Wahrnehmungsfähigkeiten zu testen. Bei dieser Methode wird ein grüner Laserpuls (532 nm Wellenlänge) ein- und ausgeschaltet, der die Elektronenspins der NV-Zentren polarisiert und sie dann wieder ins Gleichgewicht bringt. Da die polarisierte Konfiguration eine stärkere Fluoreszenz aufweist als der Gleichgewichtszustand, bestimmen die Forscher die Spinrelaxationsrate, indem sie das Intensitätsniveau der Fluoreszenz optisch überwachen.
Da das magnetische Rauschen in der Umgebung die Spinrelaxationsrate beeinflusst, ermöglicht der Vergleich der Spinrelaxationsraten zwischen Nanodiamanten, die an verschiedenen Orten positioniert sind, den Forschern, das magnetische Rauschen innerhalb der Zelle abzubilden. Die Demonstration zeigt, dass optisch eingefangene fluoreszierende Nanodiamanten eine präzise und flexible Methode zur Analyse von Eigenschaften wie Magnetfeld und Temperatur in lebenden Zellen darstellen könnten.
„Die Kombination aus optischem Einfangen von Diamant-Nanopartikeln und Nanodiamant-basierter Quantensensorik kann ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Zellen darstellen. Optisches Einfangen kann dazu beitragen, die Nanodiamant-basierten Sensoren mit hoher Präzision zu halten, was genauere Messungen auf Nanoebene ermöglicht. Insbesondere T1-Relaxometrie-Messungen von optisch gefangenen Nanodiamanten können zum Nachweis freier Radikale in Zellen verwendet werden.
„Freie Radikale sind hochreaktive Moleküle, die Zellen und Gewebe schädigen können. Sie werden aufgrund des Stoffwechsels auf natürliche Weise im Körper produziert und können auch durch die Einwirkung von Umweltfaktoren wie Strahlung oder Toxinen erzeugt werden“, sagte Kalantarifard.
„Die Verwendung von optisch eingefangenen Nanodiamanten zum Nachweis freier Radikale bietet mehrere Vorteile, darunter hohe Empfindlichkeit, Nicht-Invasivität und die Möglichkeit, Änderungen der T1-Relaxationszeit in Echtzeit zu überwachen. Diese Technik kann verwendet werden, um die Auswirkungen von oxidativem Stress zu untersuchen Zellen und könnte potenzielle Anwendungen in der Diagnose und Behandlung von Krankheiten wie Krebs und neurodegenerativen Erkrankungen haben.“