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基于纳米金刚石的量子温度计可感知微型蠕虫的“发烧”现象

发布:bianxl    |    2020-09-15 21:10    阅读:228
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基于纳米金刚石的量子温度计可感知微型蠕虫的“发烧”现象

大阪市立大学的研究团队与其他国际团队共同发明了一种可靠性高、精确度高的显微镜温度计,该温度计基于量子技术,通过检测荧光纳米金刚石中随温度变化的量子自旋特性,测量生物温度。此项研究发表于Science Advances上。

光学显微镜是生物分析中最基本的工具之一,使用可见光将微小结构放大至人肉眼可见的尺度。现代实验室中常用到的是一种更为先进的显微镜——荧光显微镜,通过使用多种荧光生物标记物来进行成像。近年来,荧光显微镜技术的发展使得实时显微成像成为可能,并且可以测量如pH值、活性氧和温度等多种生理参数。

量子遥感是一种利用脆弱的量子系统对周围环境极度的敏感性,来进行监测的技术。高对比的核磁成像是利用荧光金刚石中量子自旋例子,同时也是现实应用中最为前沿的量子系统应用之一。早在七年前,就有将这种技术引用到生物测温中的尝试,用于量化培养细胞内的温度。然而此前还没有将其应用在动态生物系统中的尝试——在生物系统中,热和温度交换要活跃的多。

研究团队将纳米金刚石的表面镶嵌入聚合物结构,然后将其注入到生物实验中常用的秀丽隐杆线虫(C. elegans nematode worm)中。研究人员首先要测量线虫的基础“健康”温度。一旦进入线虫体内,纳米金刚石就会在体内快速流动,然而团队仍然使用量子测温算法成功追踪到了这些纳米金刚石,并且稳定的测得了线虫体温。通过使用药物刺激蠕虫的线粒体可以使线虫体温升高,量子体温计成功观测到了线虫的“发烧”现象。

图1 通过追踪内嵌纳米金刚石颗粒,来测量秀丽隐杆线虫的体温。大阪市立大学Masazumi Fujiwara供图

图1 通过追踪内嵌纳米金刚石颗粒,来测量秀丽隐杆线虫的体温。大阪市立大学Masazumi Fujiwara供图

“看到量子技术在活体动物上得到如此成功的应用,是十分激动人心的。我从没想到长度小于1mm的小虫子的体温也会偏离正常值,并发展成为‘发烧’现象。” 大阪市立大学科学学院的讲师Masazumi Fujiwara说。“我们的实验展示了量子传感在生物学上的应用,将成为一个重要的里程碑,指导未来量子传感发展的方向。”

藉由大阪市立大学的资助,四个国家的组织得以参加此次跨学科、国际化的合作组。它们分别是:日本的大阪市立大学、庆应义塾大学、京都大学,德国的柏林洪堡大学,中国的苏州大学,以及美国的查普曼大学。

此项研究的作者包括:Fujiwara, Sun, Dohms, Nishimura, Suto, Takezawa, Oshimi, Zhao, Sadzak, Umehara, Teki, Komatsu, Benson, Shikano and Kage-Nakadai。

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