温度是生物系统状态的主要指标之一。如果一个人感染了病毒，其体温就会升高（通常但并非总是如此），这是免疫系统对这种威胁做出反应的标志。换句话说，温度可用于确定身体的大致状态。问题是一个人很大（从字面上看），但是，例如，线虫只有大约1毫米长。测量这种小型生物的温度极其困难，但是来自大阪大学（日本）的科学家已经开发出一种解决此问题的方法。用什么方法实现了纳米温度计，实际实验表明了什么，可以在哪里使用这种发展？我们将在科学家的报告中找到这些问题的答案。走。
研究依据
生物的体温根据内部和外部因素的影响程度而变化。我们已经习惯了这样一个事实，环境温度直接影响冷血人群的温度，因此其值以令人羡慕的规律性变化。然而，即使在正常生理条件下的温血动物中，也观察到温度波动，这可能与体内稳态温度调节和能量代谢有关。
换句话说，这里的笑话很棒：“我不是在开玩笑，我是一个非常忙碌的人。”通过精确测量亚微米级的温度及其动力学，可以获得有关细胞和分子活性的许多信息。问题在于，随着测量对象的减少，其行为的复杂性也会增加（很难将普通温度计从药房放到线虫中）。
研究作者指出，传统的电子体温计没有亚微米分辨率，近红外热像仪通常可以帮助确定生物样品的表面温度，而不是内部温度。
当然，已经有能够克服此限制的发光纳米温度计（例如，热敏分子探针）。但是这种技术也有缺点。主要因素是长期稳定性，或者说缺乏长期稳定性。这种设备无法准确测量需要很长时间（例如几个小时）的温度变化。更不用说这种温度计对样品的毒性作用。
在这项工作的科学家描述概念纳米金刚石（ND从纳米金刚石）量子温度计，其具有高精确度，稳定性和低毒性。其工作原理如下：传感器将温度作为光学可检测到的磁共振（ODMR从氮空位缺陷中心的光学检测磁共振（来自氮空位的NV ），主要是由于晶格的热膨胀引起的。 NV传感器核心深深嵌入钻石晶格中，并且不受各种生物环境因素的影响。将该量子传感器引入更复杂的生物中，可以实时读取其在特定位置的热活动。但是，实施这种技术的过程充满了许多困难。
秀丽隐杆线虫的线虫（round虫）。
多细胞模型生物，如秀丽隐杆线虫，需要一个可以容纳毫米大小身体的特殊腔室，并且需要快速分析样品本身以保持其生理状态。即使人体脱水，Quantum ND温度计的移动速度也比培养细胞快，这需要快速的粒子跟踪算法。另外，ND的位置移动和身体的复杂结构导致检测到的荧光强度的显着波动，这可能引起温度测量伪影。在研究的这个阶段，解决这些问题的方法包括根据所分析样品的各个特征调整设备。计划在未来的工作中考虑多功能性和易于设置未来的纳米温度计的问题，同时，关注概念本身和工作的基本原理。
, .
纳米温度计的基础是配备有微波辐照单元（1A）的共聚焦荧光显微镜。
图像＃1
氮空位的ODMR可以作为施加自旋共振微波激发时激光诱导的荧光强度的降低来测量，因为自旋激发激活了从激发态到基态的非荧光弛豫途径（1B）。
样品室是集成在天线中的一次性玻璃底盘，可提供较大的光学通道（直径为12mm），并且易于使用（1C），适用于诸如干细胞等精密样品。捕获蠕虫所需的时间秀丽隐杆线虫仅在实际测量之前15分钟。这有助于使蠕虫保持活动状态，并提供有关其运行状况的更多数据。
此外，该系统有效地集成了快速粒子跟踪和来自NV中心偏移量ODMR的高精度实时温度估计。
在粒子跟踪中，系统沿显微镜的xyz轴测量ND荧光强度，并每4秒（可能有更短的跟踪间隔）聚焦在相应的最大荧光上，在此期间以0.5到1.0秒的采样时间估算温度。 （2A）。
图片编号2
量子测温有几种方法，但是在这项工作中使用了四点测量ODMR方法。该方法假定在所有四个选定频率下检测到的光子数量根据检测到的荧光强度的变化线性缩放。
但是，发现随后的每个光子都显示出约〜0.5％的光敏度差异，这实际上在频移估计（即〜300 kHz，相当于几摄氏度）中产生了明显的伪影，尤其是在低光子模式下。
这些伪像最有可能是由于ODMR光谱中与光功率有关的不对称性。为了精确地测量复杂的光学动力系统（即生物系统）的温度，有必要消除这种伪影。因此，在四点测量方法中增加了纠错滤波器。
为了评估系统的运行情况，并结合纠错功能，在逐步发生的热事件期间对温度ND进行了实时测量。温度的突然变化无法使用，因为温度的突然变化会导致焦点大量散焦以及相关的荧光强度波动。
在图2B示出了光子的总数的时间曲线（I TOT）和温度估算ND（∆T NV），此时样品温度（T S）从44.3°→30.4°→44.3°以2.8°的步长变化。当聚焦位置发生明显移动时，尤其是沿z轴移动超过30μm（2C）时，系统会准确输出与T S对应的∆T NV。 以3°的步进，z轴上的6μm位置偏移会在3-4分钟内出现，但是跟踪速度足够高，可以跟随105 nm / s的动力学持续96分钟（2C）。 此外，∆T NV清楚地证明了与I tot的反相关
...对这种温度依赖性的统计研究确定了SD的平均值：I tot -1 dI tot / dT = -3.9±0.7％/°和dD / dT =-65.4±5.5 kHz /°（2D）。温度测量精度分别为±0.29°和<0.6°C，灵敏度为1.8°C /√Hz。
在开发阶段实现可靠，准确的实时测温后，对活蠕虫进行了测试本地温度监控。
图片编号3
图3A显示了ND麻醉的蠕虫内部，放置在微波天线附近。这些ND由于聚甘油（PG的表面功能化甘油）并通过显微注射引入性腺（实验性蠕虫的性腺）中。
曲线图3B示出了单个ND的ODMR光谱（在3A处用箭头标记）。图3C显示了随着温度T S的变化，I tot和∆T NV在1小时内的时间分布。 首先，在33.2℃下测量T obj，在6分钟后，降低至25.3℃。结果，Tobj在35.2分钟时达到28.6°。 ∆T NV在33.2和28.6°C的两个稳态之间显示出精确的温度变化。
由于ΔTNV总是滞后于T S并由于显微镜物镜和环境的有限热容而显示出略低估的响应，因此显示了这两个稳态之间的蠕虫内部温度的真实动态。我地合计还示出了由温度引起的荧光强度的逐渐变化。
粒子跟踪也令人满意（3C）。在0到15分钟内，由于ND在大约400 nm处的位置波动几秒钟，所计数的光子显示出频繁的猝发。
测试结果清楚地表明了纳米级生物系统内部实时温度测量的高精度。此外，决定进行其他测试，然后对蠕虫进行C 10 H 5 F 3 N 4 O（来自羰基氰-4-（三氟甲氧基）苯基hydr的FCCP）的药理处理，从而引起固定的生热作用（大致而言，温度升高导致温度升高）新陈代谢且没有其他肌肉活动）。
图片编号4
图4A显示了FCCP刺激的ND蠕虫。图4B显示了∆T NV的时间曲线ND在图片中标有箭头。
在开始测量后的第七分钟，使用FCCP溶液。在第32分钟，∆T NV开始逐渐增加，在第48分钟，当温度变化水平从4升高到7°C时，观察到更大的额外增加。发烧持续了大约80分钟。
在刺激过程中，ND在一个小时内缓慢移动了几微米，这证实了在显微镜下连续观察ND的单独实验的结果。
蠕虫的对照组（图4C和4D），其未用FCCP注射，呈均匀ΔT NV响应而没有任何明显的温度变化在整个测试。
为了进一步证实FCCP实际上诱导蠕虫体内温度升高，在对照组和治疗组（4E）中都对ND标记的蠕虫进行了定量。该图清楚地表明与对照组相比，来自实验组的蠕虫的温度升高。
另一个没有添加缓冲液并静态监控∆T NV的对照实验表明，由于温度变化或ODMR移位伪影，添加掺杂剂会使∆T NV处于一定水平波动。但是，添加FCCP不可能观察到这种变化，这进一步证实了实验组蠕虫（4F）。
为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下科学家的报告和其他补充材料。
结语
在这项研究中，科学家们能够开发一种方法，使您可以实时准确地测量纳米生物系统内部的温度。夸张地说，他们设法测量了约1毫米长的线虫秀丽隐杆线虫的体温。
重要的是要理解，测量大样本中的任何东西都比小样本中的要容易得多。尽管如此，使用纳米金刚石注入蠕虫的体内仍可以发现正常条件下蠕虫的体温。这些进入人体的纳米金刚石开始迅速运动。专门开发的算法和共聚焦荧光显微镜使跟踪和分析其运动成为可能。即使引入了引起温度升高的特殊物质，获得的数据也可以准确确定蠕虫的体温及其动力学。
这项工作不仅表明量子技术可以而且应该在生物学中应用，而且在诊断宏观水平的各种过程方面扩大了可能性的范围。通常，生物系统的状态直接或间接取决于细胞内部发生的过程，这些过程以前很难实时测量。收到有关系统组成元素的更多信息后，您可以更好地了解系统本身，这当然将使您更有效地影响其操作。
谢谢您的关注，请保持好奇，祝您周末愉快！:)
一点广告
感谢您与我们在一起。你喜欢我们的文章吗？想看更多有趣的内容吗？通过下订单或向朋友推荐，为开发人员提供云VPS，最低价格为4.99美元，这是我们为您发明的入门级服务器 的独特类似物：关于VPS（KVM）E5-2697 v3（6核）的全部真相10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps从$ 19还是如何正确划分服务器？（RAID1和RAID10可用的选件，最多24个内核和最多40GB DDR4）。
阿姆斯特丹的Equinix Tier IV数据中心的Dell R730xd 2x是否便宜？只有我们有2台Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100电视在荷兰起价199美元！戴尔R420-2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB-$ 99起！阅读有关如何构建bldg的基础结构的信息。戴尔R730xd E5-2650 v4服务器上的价格为9000欧元的价格？