Ученые используют алмазные наночастицы для создания внутриклеточных сенсоров

Исследователи разработали новый метод изучения сложной динамики внутри живых клеток, используя оптически удерживаемые наноалмазы в качестве внутриклеточных сенсоров. С помощью специально созданных оптических пинцетов команда захватывала частицы внутри живой клетки при низкой мощности лазера. Работа представляет собой важный шаг в развитии квантовых сенсоров, использующих квантовую механику для анализа изменений на атомном уровне.

Ученые применили оптические пинцеты для захвата наноалмазных частиц внутри отдельных клеток лейкемии и продемонстрировали, как эти частицы можно использовать для измерения магнитного шума внутри клетки. Фатеме Калантарифард из Технического университета Дании представит работу на конгрессе Optica по биофотонике в Ванкувере (и онлайн) с 23 по 27 апреля 2023 года. Ее доклад запланирован на понедельник, 24 апреля.

Оптически удерживаемые наноалмазы

Флуоресцентные наноалмазы (FNDs) вызывают интерес как перспективные излучатели и сенсоры. Одно из их замечательных свойств — возможность детектировать физические параметры, включая температуру и магнитное поле, с помощью квантового зондирования. Оно основано на парамагнитном дефекте в алмазе — центре азотной вакансии (NV), который позволяет считывать зависящий от температуры и магнитного поля электронный спин в наномасштабе.

В представленной на конференции работе исследователи объединили захват FNDs со спиновыми методами фотолюминесцентных измерений, характерными для алмазных сенсоров, в одной клетке. Сначала FNDs были поглощены клетками линии человеческой лейкемии (эндоцитоз), а затем захвачены ближним ИК-лазером (длина волны 1064 нм) при низкой мощности, пока клетка оставалась живой.

Наноразмерное зондирование

После размещения наноалмазов внутри клеток и/или на их поверхности исследователи провели измерения T1-релаксометрии для проверки их сенсорных возможностей. Этот метод включает включение и выключение зеленого лазерного импульса (532 нм), который поляризует электронные спины центров NV, а затем позволяет им вернуться в равновесное состояние. Поскольку поляризованная конфигурация демонстрирует более сильную флуоресценцию, ученые определяют скорость спин-релаксации, оптически отслеживая уровень интенсивности свечения.

Поскольку магнитный шум в окружающей среде влияет на скорость спин-релаксации, сравнение этих скоростей между наноалмазами, расположенными в разных местах, позволяет картировать магнитный шум внутри клетки. Демонстрация показывает, что оптически захваченные флуоресцентные наноалмазы могут стать точным и гибким методом анализа таких свойств, как магнитное поле и температура, внутри живых клеток.

Ключевые преимущества и перспективы (по словам Ф. Калантарифард):

• Комбинация оптического захвата и квантового зондирования на основе наноалмазов — мощный инструмент для изучения механических свойств клеток.
• Оптический захват позволяет удерживать сенсоры с высокой точностью для более точных наномасштабных измерений.
• T1-релаксометрия оптически захваченных наноалмазов может использоваться для детекции свободных радикалов в клетках.
• Преимущества метода для детекции свободных радикалов: высокая чувствительность, неинвазивность, возможность мониторинга изменений времени T1-релаксации в реальном времени.
• Потенциальное применение: изучение эффектов окислительного стресса на клетки, диагностика и лечение таких заболеваний, как рак и нейродегенеративные расстройства.