Schema van de optische opstelling die wordt gebruikt voor optische trapping (a) met een afbeelding van de fluorescerende nanodiamant (FND) in een leukemiecel (b). Credits: Fatemeh Kalantarifard, Technische Universiteit van Denemarken
Onderzoekers hebben een nieuwe manier ontwikkeld om de ingewikkelde dynamiek in levende cellen te bestuderen door optisch gevangen nanodiamantdeeltjes te gebruiken als intracellulaire sensoren. Met behulp van een op maat gemaakt optisch pincet heeft het onderzoeksteam de deeltjes in de cel op een laag vermogen gevangen terwijl de cel nog leefde. Het werk vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang in kwantumdetectie, die gebruikmaakt van kwantummechanica om veranderingen op atomair niveau te analyseren.
De onderzoekers gebruikten een optisch pincet om nanodiamantdeeltjes in enkele leukemiecellen te vangen en demonstreerden vervolgens hoe de deeltjes kunnen worden gebruikt om magnetische ruis in de cel te meten. Fatemeh Kalantarifard van de Technische Universiteit van Denemarken zal het werk toelichten op Optica’s Biofotonica-congres wordt gehouden in Vancouver, British Columbia en online van 23-27 april 2023. De presentatie van Kalantarifard staat gepland voor maandag 24 april.
Optisch gevangen nanodiamanten
Fluorescerende nanodiamanten (FND’s) hebben belangstelling gewekt als veelbelovende emitters en sensoren voor verschillende toepassingen. Een van de meest opmerkelijke eigenschappen van FND’s is detectie van fysieke parameters, waaronder temperatuur en magnetisch veld, door kwantumdetectie. Diamond quantum sensing is gebaseerd op een paramagnetisch defect in diamant, het stikstofvacature (NV) centrum, dat het uitlezen van temperatuur- en magnetisch veldafhankelijke elektronenspin op nanoschaal mogelijk maakt.
Onlangs hebben onderzoekers fluorescerende nanodiamanten met NV-centra gebruikt als intracellulaire sensoren. In het werk dat op de conferentie werd gepresenteerd, combineerden onderzoekers het vangen van FND’s met op spin gebaseerde fotoluminescentiemeettechnieken die gebruikelijk zijn bij op diamanten gebaseerde detectie in een enkele cel. FND’s werden eerst geëndocyteerd door cellen van een menselijke leukemiecellijn, en ze werden vervolgens gevangen door een nabij-IR-laser (1064 nm golflengte) bij laag vermogen terwijl de cel in leven bleef.
Detectie op nanoschaal
Toen de nanodiamanten eenmaal op hun plaats waren in de cellen en/of op het celoppervlak, voerden de onderzoekers T1-relaxometriemetingen uit om hun waarnemingsvermogen te testen. Deze methode omvat het in- en uitschakelen van een groene (532 nm golflengte) laserpuls die de elektronenspins van de NV-centra polariseert en ze vervolgens laat terugkeren naar evenwicht. Omdat de gepolariseerde configuratie een sterkere fluorescentie vertoont dan de evenwichtstoestand, bepalen onderzoekers de spin-relaxatiesnelheid door het intensiteitsniveau van fluorescentie optisch te volgen.
Omdat de magnetische ruis in de omgeving de spin-relaxatiesnelheid beïnvloedt, kunnen onderzoekers door het vergelijken van spin-relaxatiesnelheden tussen nanodiamanten die op verschillende plaatsen zijn geplaatst, de magnetische ruis in de cel in kaart brengen. De demonstratie laat zien dat optisch gevangen fluorescerende nanodiamanten een nauwkeurige en flexibele methode kunnen zijn om eigenschappen zoals magnetisch veld en temperatuur in levende cellen te analyseren.
“De combinatie van optisch vangen van diamanten nanodeeltjes en op nanodiamant gebaseerde kwantumdetectie kan een krachtig hulpmiddel zijn voor het bestuderen van celmechanische eigenschappen. Optisch vangen kan helpen de op nanodiamant gebaseerde sensoren met hoge precisie vast te houden, waardoor nauwkeurigere metingen op nanoschaal mogelijk zijn. Met name T1-relaxometriemetingen van optisch gevangen nanodiamanten kunnen worden gebruikt voor detectie van vrije radicalen in cellen.
“Vrije radicalen zijn zeer reactieve moleculen die schade aan cellen en weefsels kunnen veroorzaken. Ze worden van nature in het lichaam geproduceerd vanwege het metabolisme en kunnen ook worden gegenereerd door blootstelling aan omgevingsfactoren zoals straling of toxines”, zei Kalantarifard.
“Het gebruik van optisch gevangen nanodiamanten voor detectie van vrije radicalen biedt verschillende voordelen, waaronder hoge gevoeligheid, niet-invasiviteit en de mogelijkheid om real-time veranderingen in T1-relaxatietijd te volgen. Deze techniek kan worden gebruikt om de effecten van oxidatieve stress op cellen en kunnen potentiële toepassingen hebben bij de diagnose en behandeling van ziekten zoals kanker en neurodegeneratieve aandoeningen.”
Aangeboden door Optica
