Das Anwendungsrepertoire von Nanodiamanten wird ständig erweitert und umfasst alles von ultrafeinen Beschichtungen bis hin zur präzisen Arzneimittelabgabe.
Jetzt haben die Universität Kyoto und die Daicel Corporation Nanodiamanten entwickelt, um Temperaturen im Nanomaßstab in Zellen und Organellen zu erfassen.
„Die Funktionen und Aktivitäten lebender Zellen hängen eng mit der ungleichmäßigen Temperaturverteilung und den lokalisierten Temperaturänderungen innerhalb dieser Biosysteme zusammen“, bemerkt der Autor Norikazu Mizuochi.
Nanodiamanten mit Siliziumleerstellen-Farbzentren oder SiV-Zentren gehören zu einer neuen Generation, die Temperaturänderungen in Zellen durch Messung der Lumineszenz erkennen kann.
„Die Peak-Wellenlänge des Lumineszenzspektrums verschiebt sich linear, was größtenteils mit dem spektralen Verhalten von SiVs in massiven Diamanten übereinstimmt und uns die mögliche Zukunft der rein optischen Thermometrie im Nanomaßstab zeigt“, sagt der Autor.
Alternativ zeigen Nanodiamanten, die Farbzentren enthalten, insbesondere Stickstoff-Leerstellen-Zentren, eine hohe Temperaturempfindlichkeit bei der Verwendung von Laserlicht und Mikrowellenbestrahlung und sind in biologischen Anwendungen wegen ihrer geringen Zytotoxizität und stabilen Lumineszenz vorteilhaft.
Typischerweise sind temperaturmessbare Nanopartikel größer als 100 nm – im Nanomaßstab relativ massiv – und können Zellen potenziell schädigen. Dem Team von Mizuochi ist es jedoch gelungen, die kleinste Nanodiamant-Thermometrie mit einer mittleren Größe von 20 nm zu erstellen, einschließlich anderer Farbzentren wie NV-Zentren. Dieses Nanopartikel ermöglicht einen reibungsloseren Eintritt in Organellen sowie eine Temperaturmessung mit einer Genauigkeit von weniger als einem Kelvin.
„Um die Temperaturreaktion unserer polymerbeschichteten und größenselektierten SiV-haltigen Nanodiamanten oder SiV-DNDs zu untersuchen, haben wir ein temperaturgesteuertes Mikroskop verwendet, um das Lumineszenzspektrum einer Anordnung von SiV-DNDs zu messen“, fügt Mizuochi hinzu.
Die Kombination dieser Technologie mit mehrfarbiger Bildgebung und die Verbesserung der Temperaturerfassung durch Optimierung der Anzahl von SiV-Zentren pro Partikel sind Teil der nächsten Stufe in der Entwicklung von hochpräzisen Nanodiamanten durch das Forschungsteam.
Die Studie wurde veröffentlicht in Kohlenstoff.
Masanori Fujiwara et al, All-optische Thermometrie im Nanomaßstab basierend auf Silizium-Leerstellenzentren in Detonations-Nanodiamanten, Kohlenstoff (2022). DOI: 10.1016/j.carbon.2022.06.076