一種最初為量子計算機開發的工具現在可以繪製活細胞內的溫度變化。
這項技術利用微小鑽石晶體，或“奈米鑽石”中的量子效應，來檢測低至千分之幾度的溫度變化。研究人員還能夠使用雷射加熱細胞的選定部分。“我們現在有了一種在細胞水平上控制溫度的工具，我們可以研究生物系統如何對溫度變化做出反應，”哈佛大學位於馬薩諸塞州劍橋市的物理學家彼得·毛雷爾說，他是今天在《自然》雜誌上發表結果的團隊成員。
鑽石已經成為處理量子資訊的有用材料。在經典計算中，資訊儲存在二進位制數字或“位元”中，它可以是 0 或 1。但是量子位元或“qubit”可以呈現兩種狀態以及兩者之間的無限數量的狀態。鑽石將量子位元儲存在其碳晶格中雜質的電子態中。這些雜質通常包含一個取代了碳原子之一的氮原子，以及氮原子旁邊的單原子空位。
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研究人員已經成功地操縱了這種氮-空位中心——這是朝著使用它們進行量子計算邁出的一步。並且由於氮的電子對磁場極其敏感，鑽石晶體也顯示出在磁共振成像方面的潛力。這種磁探針對於微小的溫度波動非常敏感。但是研究人員已經開始將這種潛在的弱點轉化為優勢，透過使用探針作為精確的溫度計，現在毛雷爾和他的同事們已經將這種工具應用於生物學領域。
看到紅色
對於最新的技術，研究人員使用奈米線將鑽石晶體注入人類胚胎細胞。然後，他們將綠色雷射照射到細胞上，導致氮雜質發出紅色熒光。
細胞內部區域性溫度的變化會影響氮-空位中心發出的紅光強度。研究人員能夠測量該強度，並用它來計算相應奈米鑽石的溫度。由於鑽石導熱良好，奈米晶體的溫度可能與其周圍的細胞環境溫度相同。
研究人員還將金奈米顆粒注入細胞，然後用雷射照射它們以加熱細胞的不同部分。 благодаря 其微小的鑽石溫度計，他們能夠精確控制溫度升高的位置和幅度。
毛雷爾說，基於鑽石的溫度計可能成為基礎生物學中的有用工具，他指出許多生物過程，從基因表達到細胞代謝，都受到溫度的強烈影響。例如，生物學家可以透過區域性控制溫度來研究簡單生物的發育，例如線蟲秀麗隱杆線蟲。“你可以加熱單個細胞，並研究周圍的細胞是否會減慢或加速”它們的繁殖速度，毛雷爾說。
其他團隊已經使用熒光分子來繪製人體細胞中的溫度圖，但毛雷爾說，哈佛大學的溫度計至少比這些技術靈敏 10 倍，可以檢測到低至 0.05 開爾文的波動。作者表示，仍有改進空間，因為在活細胞外，他們的小型裝置已經達到了 0.0018 開爾文的靈敏度。
加州大學聖巴巴拉分校的物理學家大衛·奧沙洛姆說，奈米鑽石溫度計在化學領域也具有潛在用途，可以監測熱流如何影響化學反應，尤其是在兩種物質之間的介面處，他領導了早期研究之一，證明了基於鑽石的測溫技術。
“對我來說，看到它在活細胞中“起作用非常令人欣慰”，奧沙洛姆說。