Representación artística de una novedosa
técnica para el control de la temperatura a escala nanométrica en el interior
de una célula viva, utilizando técnicas de óptica cuántica. La imagen muestra
una representación de una célula que contiene nanodiamantes y nanopartículas de
oro, la cual se calienta mediante un haz de láser externo, utilizandose
nanodiamantes para sondeae la temperatura local. Crédito: cortesía de Georg
Kucsko
Un nuevo nanotermómetro que podría ser
utilizado para medir las variaciones de temperatura en las células vivas ha
sido creado por investigadores de la Universidad de Harvard en los EE.UU.. El dispositivo, que se basa en
nanocristales de diamante y se "inyecta" en el interior de las
células utilizando nanocables, puede detectar las fluctuaciones de temperatura
tan pequeñas como 1,8 milikelvin sobre escalas de longitud nanómetricas.
El sondeo sensible a las variaciones de
temperatura a escalas nanométricas es un desafío que aún sigue pendiente en
muchas áreas de la ciencia moderna y la tecnología. En particular, un termómetro que sea
capaz de leer en sub grados resoluciones de la temperatura en un amplio abanico
de temperaturas, así como la integración dentro de un sistema vivo, podría
proporcionar una nueva y poderosa herramienta en muchas áreas de la
investigación biológica, física y química.
Las posibilidades
van desde el control de la temperatura inducida por la expresión de genes y el
metabolismo de un tumor para el
tratamiento de la célula-selectiva de la enfermedad y el estudio de la disipación de calor
en los circuitos integrados, mediante la combinación de fuentes de calor inducidos
por la luz local vía una termometría
sensible a nanoescala y que también pueda ser posible diseñar procesos
biológicos a nivel subcelular.
Aquí se demuestra un nuevo enfoque para la termometría a nanoescala que
utiliza la manipulación coherente del spin electrónico asociado con centros de
color nitrógeno de vacantes en el diamante. Esta técnica hace que sea posible la
detección de las variaciones de temperatura muy pequeñas. Si se mejora aún más,
podría ser utilizado para sondear una serie de fenómenos sensibles a la
temperatura en células biológicas, y puede incluso ayudar en el desarrollo de
tratamientos contra el cáncer "thermoblative".
Termometría
submicrométrica con nanodiamantes - Escaneo de frecuencia de un solo
nanodiamante que contiene aproximadamente 500 centros de nitrógeno vacantes. Los
cuatro puntos rojos indican la frecuencia de medición utilizados al medir la
temperatura como se detalla en M. Crédito: Nature
En
su nuevo trabajo, los investigadores, dirigidos por Mikhail Lukin , de la Universidad de
Harvard, utilizaron centros vacantes de nitrógeno (NV) en diamantes explotados. NVs son defectos que se producen
cuando dos átomos de carbono vecinos están reemplazados por un átomo de
nitrógeno y un sitio vacío de celosía.
El
estado fundamental de un centro de NV se divide en dos niveles de energía -
bajo y alto - y la diferencia de energía entre los dos niveles que se conoce
como la frecuencia de transición. Cuando
los diamantes se enfrían o se calienta, la frecuencia de transición NV cambia
en consecuencia. La nueva técnica
nanotermométrica funciona midiendo con precisión este cambio - que puede ser
detectada usando espectroscopia de fluorescencia - y luego utilizar esta
medición para calcular la temperatura exacta del nanodiamante. Y ya que el diamante es un buen
conductor del calor, es probable que tenga la misma temperatura que su entorno
inmediato - en este caso una célula biológica.
"Gracias al pequeño tamaño de un
centro de NV individuo, diamantes sólo unas pocas decenas de nanómetros de
tamaño se pueden emplear en las mediciones," explica el miembro del equipo de Peter
Maurer , que es un
miembro del grupo de Lukin. "Esto permite un termómetro muy
sensible que también es compatible con el tamaño de las células vivas, que son
en sí mismos micras de diámetro."
El dispositivo, que los investigadores
inyectaron a las células biológicas durante sus experimentos con
"agujas" nanocables, pueden detectar cambios de temperatura tan
pequeñas como 1,8 mK (en una muestra mayor de diamantes ultra-puros) y en
distancias tan cortas como 200 nm.
El trabajo liderado por Mikhail Lukin,
Peter Maurer et al., se encuentra en la revista Nature 500 (54-58) del 01 de agosto de 2013.
Fuente:
Physics World / Nature / Nanotechweb
