Koop diamanten, neem temperatuur: Quantumthermometer die nanodiamanten gebruikt, voelt een ‘koorts’ in kleine wormen C. elegans

Een team van de Osaka City University, in samenwerking met andere internationale partners, heeft een betrouwbare, precieze, op een microscoop gebaseerde thermometer gedemonstreerd die gebruikmaakt van kwantumtechnologie die de temperatuur van microscopisch kleine dieren meet. De technologie detecteert temperatuurafhankelijke eigenschappen van kwantumspins in fluorescerende nanodiamanten.

Het onderzoek is gepubliceerd in Science Advances.

De optische microscoop is een van de meest basale instrumenten voor analyse in de biologie, waarbij zichtbaar licht wordt gebruikt om microscopische structuren direct te observeren. In het moderne laboratorium is fluorescentiemicroscopie, een verbeterde versie van optische microscopie met behulp van fluorescerende biomarkers, nu wijdverspreider. Recente vorderingen in de fluorescentiemicroscopie hebben het mogelijk gemaakt om de details van een structuur live af te beelden en daardoor verschillende fysiologische parameters in deze structuren te verkrijgen, zoals pH, reactieve zuurstofsoorten en temperatuur.

Quantum sensing is een technologie die de ultieme gevoeligheid van kwetsbare quantumsystemen voor de omgeving benut. MRI’s met hoog contrast zijn voorbeelden van kwantumspins in fluorescerende diamanten en behoren tot de meest geavanceerde kwantumsystemen die in de voorhoede van toepassingen in de echte wereld werken. Toepassingen van deze techniek op thermische biologie zijn zeven jaar geleden geïntroduceerd om temperaturen in gekweekte cellen te kwantificeren. Ze moesten echter nog worden toegepast op dynamische biologische systemen waar warmte en temperatuur actiever worden betrokken bij biologische processen.

Het onderzoeksteam versierde het oppervlak van de nanodiamanten met polymeerstructuren en injecteerde ze in C. elegans nematode-wormen, een van de meest populaire modeldieren in de biologie. De onderzoekers probeerden de gezonde basistemperatuur van de wormen te achterhalen. Eenmaal binnen bewogen de nanodiamanten snel, maar het nieuwe kwantumthermometrie-algoritme van het team volgde ze met succes en meet gestaag de temperatuur. De onderzoekers veroorzaakten koorts in de wormen door hun mitochondriën te stimuleren met een farmacologische behandeling. De kwantumthermometer van het team heeft met succes een temperatuurstijging in de wormen waargenomen.

“Het was fascinerend om te zien dat kwantumtechnologie zo goed werkt bij levende dieren, en ik had nooit gedacht dat de temperatuur van kleine wormpjes met een grootte van minder dan 1 mm zou kunnen afwijken van de norm en koorts zou worden”, zegt Masazumi Fujiwara, een docent aan de Department of Science aan de Osaka City University. “Onze resultaten zijn een belangrijke mijlpaal die de toekomstige richting van kwantumdetectie zal sturen, aangezien het laat zien hoe het bijdraagt ​​aan de biologie,”