Erstmalige Quantenmessung der Temperatur in einem lebenden Organismus
Schema des Experiments: Mit Hilfe von Laserlicht (grün) kann die
charakteristische Mikrowellenresonanzlinie (in orange:
Mikrowellenantenne) von Nanodiamanten in einem Fadenwurm
(typische L?nge 1 mm) unter einem Mikroskop aufgenommen
werden. Da diese von der Temperatur abh?ngt, kann eine
Temperatur?nderung sehr pr?zise und lokal gemessen werden.
Abbildung: Masazumi Fujiwara, Osaka City University
Die genaue Messung der Temperatur in lebenden Organismen bei gleichzeitig h?chster, r?umlicher Aufl?sung ist sehr wichtig, um Stoffwechselprozesse genau untersuchen zu k?nnen. Allerdings war eine solche Messung bislang unm?glich, weil pr?zise und zuverl?ssige Nanothermometer oder Nanotemperatursonden fehlten. Das internationale Forscherteam um Prof. Oliver?Benson von der Humboldt-Universit?t zu Berlin und Prof.?Masazumi Fujiwara von der Osaka City University hat nun einen nur wenige Nanometer gro?en Quantensensor entwickelt und mit diesem Temperaturver?nderungen in einem Fadenwurm messen k?nnen, dem eine pharmakologische Substanz verabreicht wurde.
Die Resultate ?ffnen den Weg für vielf?ltige Anwendungen der neuartigen Quantensensorik in der biomedizinischen Forschung, z.B. für die Aufnahme hochaufl?sender W?rmebilder.
Die Wissenschaftler verwendeten in ihrem Experiment kleine Diamanten mit Durchmessern von wenigen 10 Nanometern (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter). Diese Nanodiamanten enthalten leuchtende (fluoreszierende) Quantendefekte, die man unter einem optischen Mikroskop beobachten kann. Mit Hilfe von eingestrahlten Mikrowellen l?sst sich die Helligkeit der leuchtenden Quantendefekte ver?ndern. Bei einer ganz bestimmten Mikrowellenfrequenz erscheinen die Defekte etwas?dunkler. Diese so genannte Resonanzfrequenz h?ngt von der Temperatur ab. Die Forscher konnten nun die Verschiebung der Resonanzfrequenz sehr genau bestimmen und damit die Tem- peratur?nderung am Ort der Nanodiamanten pr?zise bestimmen.
Die Nanodiamanten wurden in einen Fadenwurm (C. Elegans) eingebracht. C. Elegans ist ein sehr gut verstandenes Modellsystem und wird in vielen biophysikalischen und biochemischen Experimenten untersucht. Durch Gabe einer pharmakologischen Substanz konnten in einzelnen Zellen des Wurms die Mitochondrien, also gewisserma?en die ?Kraftwerke“ der Zellen, zu erh?hter Aktivit?t angeregt werden. Dies zeigte sich als eine leichte lokale Temperaturerh?hung von wenigen Grad.
Die Forscher zeigten sich fasziniert von den Ergebnissen des Experimentes.
Masazumi Fujiwara, Professor an der Osaka City University:??Ich h?tte nie gedacht, dass die neuen Methoden der Quantentechnologie sogar bei lebenden Organismen so gut funktionieren.“
Prof. Oliver Benson von der Humboldt-Universit?t erg?nzt: ?Mit diesen vielversprechenden Resultaten sind wir sehr zuversichtlich, dass die Quantensensorik sich auch in der Biochemie und Biomedizin etablieren wird.“
Die Forscherteams arbeiten nun daran, ihre Messmethode weiter zu verbessern und zu automatisieren, damit sie einfach in Standardmikroskopie-Aufbauten integriert werden kann.
Ver?ffentlichung
[1]?M. Fujiwara, S. Sun, A. Dohms, Y. Nishimura, K. Suto, Y Takezawa, K. Oshimi, L. Zhao, N. Sadzak, Y. Umehara, Y. Teki,
N. Komatsu, O. Benson, Y. Shikano, and E. Kage-Nakadai,?02 Sep, Vol. 6, no. 36, eaba0959?(2020).?DOI: 10.1126/sciadv.aba9636
Funding
Osaka City University Strategic Research Grant. Murata Science Foundation.
JSPS-KAKENHI (20H00335, 16K13646, 17H02741, 19K14636, 17H02738).
MEXT-LEADER program. Sumitomo Research Foundation. Deutsche Forschungsgemeinschaft (FOR 1493).
Weitere 三亿体育·(中国)官方网站
三亿体育·(中国)官方网站
Oliver Benson
Nano-Optik
Institut für Physik und IRIS Adlershof
der Humboldt-Universit?t zu Berlin
Tel.:?030 2093 4711
oliver.benson@physik.hu-berlin.de