科学家测量并控制活细胞内的温度

艺术家的研究人员的概念，加热带有激光和监测金刚石传感器的细胞内部的金纳米颗粒以测量温度。此图像不缩放。

DARPA研究人员开发了新的技术，让他们测量和控制活细胞的温度。该技术可以支持热管理，控制化学反应和新研究工具的发展。

你如何服用细胞的温度？熟悉的医生办公室的温度计稍大，考虑到平均人类皮肤细胞仅为3000万米宽。但能力很大;开发衡量和控制细胞内部温度和其他纳米空间的合适技术可能会对许多国防和医疗应用打开门：更好的电子产品热管理，监测高性能材料的结构完整性，细胞特异性的治疗医学研究疾病与新工具。

研究了DARPA量子辅助传感和读数（Quasar）计划的研究人员最近在活细胞内纳米尺度进行了亚度温度测量和控制。来自哈佛大学的研究人员领导的Quasar团队在题为“活细胞中的纳米级量子温度测量”的自然纸上描述了其技术。

为了测量温度，研究人员使用设计成钻石的缺陷，称为氮空位（NV）颜色中心，作为纳米级温度计。每个NV中心可以捕获电子，使得中心的表现类似于固体金刚石中的隔离原子。温度变化导致钻石的晶格结构扩展或收缩，类似于桥梁的表面在暴露于热或寒冷的天气时。晶格中的这些换档诱导截图原子的旋转特性的变化，研究人员使用基于激光的技术测量。结果是科学家现在可以在低至200纳米的长度尺度下监测在有机和无机系统中的大量温度范围内的次度变化。出于尺度感，请参阅：http：//learn.genetics.utah.edu/Content/Begin/Cells/scale/。

单个细胞的共焦扫描。白色交叉对应于用于加热的金纳米粒子的位置，而红色和蓝色圆圈代表用于温度测量的金刚石传感器的位置。虚线的白线概述了细胞膜。

钻石传感器本身直径仅为100纳米。每个人包含多个NV中心（Quasar团队工程到每次500nv中心），并且多个传感器可以使用纳米线嵌入单个电池中。鉴于钻石传感器的极小尺寸及其温度敏感性，研究人员可以在小于细胞总面积的百分之一的区域内精确测量温度。

Quasar团队还通过将金纳米颗粒植入菱形传感器的人体细胞中来证明亚细胞水平的温度梯度的控制和映射。然后使用单独的激光加热100纳米直径的纳米颗粒。通过改变加热激光器的功率和金纳米颗粒的浓度，研究人员能够修改和表征（使用菱形传感器）围绕细胞的局部热环境。特别是，它们能够验证加热在金纳米颗粒附近定位，并且细胞没有经历整体环境升高的温度。

虽然细胞是最小的生命单位，但它绝不是简单的。人体由像素中的十万亿个细胞组成，已经开发出高度同步的组件，以执行使生物体活跃的过程，使其能够再现和适应变化的环境。礼貌：国家科学基金会

团队的调查结果有几个潜在的应用，可能导致其他研究领域：

温度测量技术可以提供对有机和无机系统的洞察力，通知受试者在物理劳累后的集成电路中的散热和肌肉骨骼修复或炎症的热性能;因为这些技术已被证明是有效的600摄氏度的温度为600摄氏度的温度，它们可以允许监测由在高温下操作的材料和部件中的温度梯度引起的纳米级开裂和降解;金刚石的固有化学惰性可能允许直接进行微观监测和控制化学反应。

“该研究提供了原子物理技术极端精度和控制如何影响感测应用的另一个例子。它展示了在Quasar下开发的新型测量工具可以为国防部和更广泛的科学界提供新的能力，以前没有以前可以的秤，“贾马尔阿比·谢伊（Darpa）计划经理贾米尔Abo-Shaeer表示。“我们计划继续探索量子传感器的应用，以测量温度，磁场和电场，以及紧凑的光学原子钟的开发。我们将这项工作视为全新的研发领域的跳跃点。“

出版物：G. kucsko等，“纳米尺度温度测定的活细胞，”自然500,54-58,01 2013; DOI：10.1038 / Nature12373

图片：史蒂文H. Lee;国家科学基金会