纳米金刚石量子温度计测量蠕虫的温度

研究人员通过跟踪嵌入式的纳米金刚石测量了C. elegans线虫的温度。Osaka City University 的Masazumi Fujiwara供图。

如何测量蠕虫的温度？当然会用量子温度计来测量。这正是研究人员使用含有纳米金刚石设备与氮空位(NV)缺陷中心而取得的成果，其磁共振随着温度的变化而变化。这项重要的新技术可以用于未来一系列临床应用。

你可能会问，为什么要测量蠕虫的温度？其中一个原因就在于生物体内的温度是体内生命活动的一个直接评估。这项新的工作可以测量亚微米尺寸的温度变化，例如，通过测量蠕虫的温度可以提供有关细胞和分子活动的详细信息。这对于临床应用非常重要，比如大脑组织结构成像、肿瘤异质性可视化和图解脂肪细胞。然而，将与生物兼容的温度计的尺寸减小到与细胞结构类似的尺寸并非易事。

近年来，发光纳米温度计的出现可以克服这一技术难题，比如热响应分子探针和纳米颗粒。然而到目前为止，大多数器件都不够具有鲁棒性，因此无法长期使用。它们只能监测相对较长的时间(比如小时)尺度的温度变化，而且也不完全生物兼容。

纳米金刚石量子温度计

新研究中采用的纳米金刚石量子温度计在许多方面是非常有前途的。探针由纳米金刚石做成，它带有内在的缺陷，这被称为NV中心。当金刚石晶格中的两个相邻碳原子被氮原子和空位晶格代替时，就会产生NV中心。氮原子有一个额外未配对的电子，所以它表现为一个孤立的自旋特性。这种自旋可以是向上或向下或者两者叠加。通过用激光照射金刚石并记录其激发的荧光强度和频率可以探测其电子状态。

纳米金刚石中的NV中心是制作生物探针的理想之选，因为它们无毒，不感光，表面可以功能化并可轻松插入活细胞中。它们还与周围环境隔离，这意味着它们的量子行为不会受到周围热量变化的影响，纳米金刚石中的NV还可以探测到来自附近电子或原子核自旋非常弱的磁场。因此它们可以用作高度敏感的磁共振探头，它们能够监测材料中几十纳米范围内的局部自旋变化。与生物学中传统的磁共振成像 (MRI) 技术(这种技术需要数百万次自旋才能产生可测量信号)相比，NV 缺陷可以检测具有纳米级空间精度的单个自旋目标。

健康的蠕虫和“发烧”的蠕虫

在实验中，日本Osaka City University的Masazumi Fujiwara及其同事用聚合物结构对纳米金刚石的表面进行了功能化，并把它们注入了C.elegans线虫体内(生物学中最普遍的动物模型之一)。传感器首先读取生物的基本"健康"温度，把它作为 NV 缺陷中心中光学检测磁共振的一个频率平移。

由于纳米金刚石在蠕虫体内的移动速度比在培养细胞中快得多，研究人员开发了一种快速跟踪粒子的算法。它们还添加了一个具有纠错机制的滤波器。由于蠕虫身体的构造可能会导致发出的荧光强度有大幅波动，因此这个滤波器会过滤掉在温度测量过程中这些假的信号。

研究小组在《Science Advances》中报告了他们的工作。他们用一种化学物质刺激蠕虫的线粒体，在蠕虫中诱发人工"发烧"。他们的传感器成功地记录了温度的升高，它的测量精度约为±0.22°C。Fujiwara说：“看到量子技术在活体动物身上如此有效，这简直太棒了。我从未想过小于1毫米尺寸的微小蠕虫的温度会偏离常规温度并发展到发烧的程度。我们的研究成果是一个重要的里程碑，它将指导量子测量的未来方向，因为它显示了量子测量如何在生物学领域做出贡献。”

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