Forscher verwenden winzige Diamanten, um Intra zu erzeugen

Optisch eingefangene Nanodiamanten könnten zur Messung von Temperatur, Magnetfeldern und anderen Eigenschaften im Inneren lebender Zellen verwendet werden

OPTISCH

Bild: Schematische Darstellung des optischen Aufbaus zum optischen Einfangen (a) mit einem Bild des fluoreszierenden Nanodiamanten (FND) im Inneren einer Leukämiezelle (b).mehr sehen

Bildnachweis: Fatemeh Kalantarifard, Technische Universität Dänemark

Forscher nutzen winzige Diamanten, um intrazelluläre Sensoren herzustellen

Optisch eingefangene Nanodiamanten könnten zur Messung von Temperatur, Magnetfeldern und anderen Eigenschaften im Inneren lebender Zellen verwendet werden

VANCOUVER – Forscher haben eine neue Methode zur Untersuchung der komplexen Dynamik in lebenden Zellen entwickelt, indem sie optisch eingefangene Nanodiamantpartikel als intrazelluläre Sensoren verwenden. Mit speziell angefertigten optischen Pinzetten fing das Forschungsteam die Partikel bei niedriger Leistung in der Zelle ein, während die Zelle noch am Leben war. Die Arbeit stellt einen wichtigen Fortschritt in der Quantensensorik dar, die sich die Quantenmechanik zunutze macht, um Veränderungen auf atomarer Ebene zu analysieren.

Die Forscher verwendeten optische Pinzetten, um Nanodiamantpartikel in einzelnen Leukämiezellen einzufangen, und demonstrierten dann, wie die Partikel zur Messung des magnetischen Rauschens innerhalb der Zelle verwendet werden können. Fatemeh Kalantarifard von der Technischen Universität Dänemark wird die Arbeit auf dem Biophotonics Congress von Optica, der vom 23. bis 27. April 2023 in Vancouver, British Columbia, und online stattfindet, im Detail erläutern. Kalantarifards Präsentation ist für Montag, den 24. April, um 15:00–15:15 Uhr PDT (UTC) geplant – 07:00).

Optisch gefangene Nanodiamanten Fluoreszierende Nanodiamanten (FNDs) haben als vielversprechende Emitter und Sensoren für verschiedene Anwendungen Interesse geweckt. Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften von FNDs ist die Erkennung physikalischer Parameter, einschließlich Temperatur und Magnetfeld, durch Quantensensorik. Die Diamant-Quantenerkennung basiert auf einem paramagnetischen Defekt im Diamant, dem Stickstoff-Leerstellen-Zentrum (NV), der das Auslesen von temperatur- und magnetfeldabhängigen Elektronenspins im Nanomaßstab ermöglicht.

Kürzlich haben Forscher fluoreszierende Nanodiamanten mit NV-Zentren als intrazelluläre Sensoren verwendet. In der auf der Konferenz vorgestellten Arbeit kombinierten die Forscher das Einfangen von FNDs mit spinbasierten Photolumineszenz-Messtechniken, die bei diamantbasierten Sensoren in einer einzelnen Zelle üblich sind. FNDs wurden zunächst von Zellen einer menschlichen Leukämiezelllinie endozytiert und dann von einem nahen IR-Laser (Wellenlänge 1064 nm) bei geringer Leistung eingefangen, während die Zelle am Leben blieb.

Nanoskalige Sensorik Sobald die Nanodiamanten in den Zellen und/oder auf der Zelloberfläche angebracht waren, führten die Forscher T1-Relaxometriemessungen durch, um ihre Wahrnehmungsfähigkeiten zu testen. Bei dieser Methode wird ein grüner Laserpuls (532 nm Wellenlänge) ein- und ausgeschaltet, der die Elektronenspins der NV-Zentren polarisiert und sie dann wieder ins Gleichgewicht bringen lässt. Da die polarisierte Konfiguration eine stärkere Fluoreszenz aufweist als der Gleichgewichtszustand, bestimmen Forscher die Spinrelaxationsrate durch optische Überwachung des Intensitätsniveaus der Fluoreszenz.

Da das magnetische Rauschen in der Umgebung die Spinrelaxationsrate beeinflusst, können Forscher durch den Vergleich der Spinrelaxationsraten zwischen an verschiedenen Orten positionierten Nanodiamanten das magnetische Rauschen innerhalb der Zelle kartieren. Die Demonstration zeigt, dass optisch eingefangene fluoreszierende Nanodiamanten eine präzise und flexible Methode zur Analyse von Eigenschaften wie Magnetfeld und Temperatur in lebenden Zellen darstellen könnten.

„Die Kombination aus optischem Einfangen von Diamant-Nanopartikeln und nanodiamantbasierter Quantensensorik kann ein leistungsstarkes Werkzeug zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Zellen darstellen. Optisches Einfangen kann dazu beitragen, die nanodiamantbasierten Sensoren mit hoher Präzision zu halten, was genauere Messungen auf Nanoebene ermöglicht.“ Insbesondere T1-Relaxometrie-Messungen optisch eingefangener Nanodiamanten können zum Nachweis freier Radikale in Zellen verwendet werden. Freie Radikale sind hochreaktive Moleküle, die Schäden an Zellen und Gewebe verursachen können. Sie werden im Körper aufgrund des Stoffwechsels auf natürliche Weise produziert und können auch erzeugt werden durch die Einwirkung von Umweltfaktoren wie Strahlung oder Giftstoffen“, sagte Kalantarifard. „Die Verwendung optisch eingefangener Nanodiamanten zum Nachweis freier Radikale bietet mehrere Vorteile, darunter hohe Empfindlichkeit, Nichtinvasivität und die Möglichkeit, Änderungen der T1-Relaxationszeit in Echtzeit zu überwachen. Mit dieser Technik können die Auswirkungen von oxidativem Stress untersucht werden.“ Zellen und könnten potenzielle Anwendungen bei der Diagnose und Behandlung von Krankheiten wie Krebs und neurodegenerativen Erkrankungen haben.“

Über den Optica Biophotonics Congress Der Optica Biophotonics Congress ist eine jährliche Tagung, die sich in wechselnden Jahren auf biomedizinische Optik und Optik in den Biowissenschaften konzentriert. Das Treffen im Jahr 2023, Optica Biophotonics Congress: Optics in the Life Sciences, erforscht die neuesten Werkzeuge und Techniken in der optischen Bildgebung mit einem Schwerpunkt auf fortschrittlichen Techniken für die mikroskopische Bildgebung und verwandte Anwendungen. Das Treffen wird in einem hybriden Konferenzformat mit persönlichen und virtuellen Teilnahmemöglichkeiten präsentiert. Weitere Informationen unter https://www.optica.org/en-us/events/congress/biophotonics_congress/.

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