一种最初为量子计算机开发的工具现在可以绘制活细胞内的温度变化。
这项技术利用微小钻石晶体，或“纳米钻石”中的量子效应，来检测低至千分之几度的温度变化。研究人员还能够使用激光加热细胞的选定部分。“我们现在有了一种在细胞水平上控制温度的工具，我们可以研究生物系统如何对温度变化做出反应，”哈佛大学位于马萨诸塞州剑桥市的物理学家彼得·毛雷尔说，他是今天在《自然》杂志上发表结果的团队成员。
钻石已经成为处理量子信息的有用材料。在经典计算中，信息存储在二进制数字或“比特”中，它可以是 0 或 1。但是量子比特或“qubit”可以呈现两种状态以及两者之间的无限数量的状态。钻石将量子比特存储在其碳晶格中杂质的电子态中。这些杂质通常包含一个取代了碳原子之一的氮原子，以及氮原子旁边的单原子空位。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
研究人员已经成功地操纵了这种氮-空位中心——这是朝着使用它们进行量子计算迈出的一步。并且由于氮的电子对磁场极其敏感，钻石晶体也显示出在磁共振成像方面的潜力。这种磁探针对于微小的温度波动非常敏感。但是研究人员已经开始将这种潜在的弱点转化为优势，通过使用探针作为精确的温度计，现在毛雷尔和他的同事们已经将这种工具应用于生物学领域。
看到红色
对于最新的技术，研究人员使用纳米线将钻石晶体注入人类胚胎细胞。然后，他们将绿色激光照射到细胞上，导致氮杂质发出红色荧光。
细胞内部局部温度的变化会影响氮-空位中心发出的红光强度。研究人员能够测量该强度，并用它来计算相应纳米钻石的温度。由于钻石导热良好，纳米晶体的温度可能与其周围的细胞环境温度相同。
研究人员还将金纳米颗粒注入细胞，然后用激光照射它们以加热细胞的不同部分。 благодаря 其微小的钻石温度计，他们能够精确控制温度升高的位置和幅度。
毛雷尔说，基于钻石的温度计可能成为基础生物学中的有用工具，他指出许多生物过程，从基因表达到细胞代谢，都受到温度的强烈影响。例如，生物学家可以通过局部控制温度来研究简单生物的发育，例如线虫秀丽隐杆线虫。“你可以加热单个细胞，并研究周围的细胞是否会减慢或加速”它们的繁殖速度，毛雷尔说。
其他团队已经使用荧光分子来绘制人体细胞中的温度图，但毛雷尔说，哈佛大学的温度计至少比这些技术灵敏 10 倍，可以检测到低至 0.05 开尔文的波动。作者表示，仍有改进空间，因为在活细胞外，他们的小型设备已经达到了 0.0018 开尔文的灵敏度。
加州大学圣巴巴拉分校的物理学家大卫·奥沙洛姆说，纳米钻石温度计在化学领域也具有潜在用途，可以监测热流如何影响化学反应，尤其是在两种物质之间的界面处，他领导了早期研究之一，证明了基于钻石的测温技术。
“对我来说，看到它在活细胞中“起作用非常令人欣慰”，奥沙洛姆说。