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Nature:测量活细胞温度的微小温度计

现如今,拥有毫开尔文级灵敏度的纳米级温度计是由钻石晶体制造而成的。该温度计已被用于测量活细胞内的温度梯度。

尽管目前已经进行了许多极具前景的研究,但是在纳米级分辨率上进行环境温度的测量仍然是一个艰巨的挑战。 Kucsko 等人报道了一种能够解决这一问题的宝贵工具:以钻石纳米晶体(也称为纳米钻石)为原材料的温度计。这种感应工具可能会有多种应用价值,从细胞生物学研究,到纳米级化学反应的测量。

温度可以影响各种各样的物理学现象。例如,地球温度场的改变能够引起强烈风暴、干旱与洪水的形成。温度决定了化学反应的动力学过程、活化过程与平衡状态。人类的体温受到了精确地控制,因此如果体温偏离了正常范围的话,将会触发一连串生物分子学机制,从而恢复机体的平衡状态。科学家们因此开发了一系列精确的温度测量工具(从人造卫星到红外线摄像机,以及各种各样为人熟知的温度计),以测量数千米到数亚毫米这一长度范围内的温度。但是我们该如何测量几个微米或几十个纳米长度范围内的温度呢?

钻石内存在着单原子氮杂质,而 Kucsko 等人开发的温度测量方法正是运用了与这些杂质相关的电子自旋的独特性质。钻石的一个碳原子晶格结构中如果存在一个氮原子,就形成了一种名为氮晶格空位(nitrogen vacancy, NV)中心的点缺陷;在NV中心内,氮原子与空位取代了邻近的两个碳原子。NV中心的基态被分为两个能量等级:低能级的自旋态为0,而高能级的自旋态为1。这两种能级之间的能量差被称为基态能隙(ground-state energy gap);它对温度高度敏感,这是因为它能够随着热诱发晶格应变(thermally induced lattice strains)而发生变化。钻石温度测量法的原理是基于准确测量与该能隙相关的跃迁频率(transition frequency,即与低能级与高能级之间的能量差相对应的微波频率)的变化情况。

Kucsko 等人在他们所开发的测温技术中,采用绿光刺激NV中心的电子,随后,激活的NV中心电子释放出红色荧光,从而衰变到基态。释放的荧光强度取决于NV中心的自旋态。 Kucsko 等人也用微波来照射纳米钻石,从而调节基础自旋态0与1的电子排布,并确定所观测荧光自旋态的电子排布情况。他们随后运用这一信息,计算出与温度变化相关的基态能隙变化水平。

研究者们首先使用一种同位素纯(碳 12 同位素)的大块钻石样本,确定了以NV为基础的温度测量法的极限敏感度。在理想的实验条件下,他们采用这一系统检测温度的变化,其准确性可达到 1.8 毫开尔文。其他研究团队最近采用类似的试验技术与实验条件,也得出了相似的敏感度水平。

然而, Kucsko 等人通过表明纳米钻石温度计是如何测量活细胞温度的,从而使他们的研究取得了进一步的成果(图1)。他们运用一种更巧妙的纳米线辅助型输送方法,将纳米钻石和金纳米颗粒移入到细胞内。当金纳米颗粒被激光束激活时,它就成为了细胞内部的一个热源。 Kucsko 等人通过运用其新技术测量单个细胞内亚开尔文的温度变化,直接观测到了单个金纳米颗粒所生成的、杀死细胞所必须的热量。

图1 测量活细胞内的温度。当一种被称为氮晶格空位(nitrogen vacancy, NV)中心的钻石晶格缺陷被绿光刺激后,NV中心就会释放出红色荧光。 Kucsko 等人将纳米钻石插入到单个活细胞内,并用微波和绿光对其进行照射,微波照射可用来调节NV中心内自旋态的电子排布情况。 Kucsko 等人通过测量这些中心所释放出来的荧光,确定了自旋态的电子排布情况,因而确定了与温度变化相关的基态能隙(即与不同自旋态之间的能量差相对应的微波频率)的改变。他们通过这种方法,对细胞内金纳米颗粒被激光束加热时所产生的温度梯度进行了测量,并达到了亚开尔文级的高敏感度水平。

Kucsko 等人开发的纳米钻石温度传感器具有很高的空间分辨率、亚开尔文级的热灵敏度、化学惰性、生物相容性,此外它在所有固体材料中热传导性最高。因此,它是纳米温度计的一种理想的混合材料。此外,如果采用一种不同的荧光激发方式的话,那么配备有纳米钻石的温度传感器也能够在机体内部推广应用:研究者们已经在动物体内采用微波激发电子自旋态,而“双光子”激发法的使用可以使研究者们对现有方法无法抵达的更深层组织进行分析。

然而,由于纳米钻石是分散的物质,因此 Kucsko 等人的温度测量法只能对不同部位的温度进行测量,而不能对某一个温度场进行连续性测量。此外,该方法监测的是温度变化,而不是绝对温度。由于纳米钻石或钻石样本的聚集体的晶格应变性较弱,因此作者们认为,通过使用这些聚集体,就能够克服以上局限性;目前限制科学家们测量绝对温度的因素是实验性差异,而这两种聚集体都能够降低这类实验性差异。目前,该技术的时间分辨率也相当低,为数十秒。这一速度足以用来测量多种生物学过程,例如基因表达的改变;但是对于那些探索较快生物学过程(例如信号转导或神经活动的初始阶段)中温度效应的研究而言,这个速度就太慢了。

这种新工具如何能够增加我们对人类细胞生物学的了解?或者推动生物医学领域的进展?大多数人类细胞直径为10-20微米,并且被分隔细胞器的内膜高度分工化。这些细胞器形成了多个几微米大小的反应器,在这些反应器中不断地发生着多种能量产生反应和能量吸收反应。这些反应使细胞内产生了微米级和亚微米级的温度梯度,温度梯度反过来影响着其它细胞生物化学反应。此外,细胞外的生化信号转导和环境改变能够激活细胞内的分子应答反应,从而引起细胞内的温度梯度出现相应的变化.。纳米钻石温度计能够精确测量细胞内的温度,因而为细胞生物物理学家们提供了一个宝贵的工具:它可能能使科学家们通过控制细胞器内或细胞器旁的温度,从而操纵细胞的行为与特征。

Kucsko 等人开发的温度测量技术也开辟了其它许多有趣的研究课题,包括免疫应答反应的热调控、利用局部降温保存治疗性组织的分子机制、亚细胞温度梯度对细胞功能的作用,以及细胞对热疗法(人为地诱导体温升高,其用途之一为抗肿瘤治疗)的耐受性。对于温度测量而言,钻石是科学家最好的朋友。

延伸阅读:

Nature:可测活细胞的纳米温度计

原文检索:

Konstantin Sokolov. Nanotechnology: Tiny thermometers used in living cells. Nature, 31 July 2013; doi:10.1038/500036b

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