La temperatura controla la velocidad de las reacciones bioquímicas, pero medirla en un punto de la célula no se había logrado durante mucho tiempo: los sensores eran grandes o imprecisos. Los nanodiamantes con centros NV prometían desde hace tiempo resolver el problema, pero su sensibilidad chocaba con el corto tiempo de coherencia y la débil señal. En el archivo hay trabajos cercanos sobre cúbits de diamante, magnetometría y sensores de campo magnético del corazón, pero la termometría con nanodiamantes seguía rezagada: las mejores muestras apenas alcanzaban unos 130 mK/√Hz. Este trabajo destaca porque traslada el protocolo de eco térmico, que antes solo funcionaba en diamante masivo, a un nanodiamante individual con dos centros NV.
Se tomó un nanodiamante de unos 280 nanómetros de diámetro, tallado a partir de carbono-12 isotópicamente puro, y se colocó sobre un chip especial con calentador y termómetro de resistencia. Dentro del diamante había dos centros NV con la misma orientación, lo que duplicó la señal de fotones sin pérdida de coherencia. Para medir la temperatura se aplicó el protocolo de eco térmico: pulsos de microondas creaban una superposición de estados de espín, y la fase acumulada dependía de la temperatura a través del desplazamiento de la frecuencia de transición. La frecuencia de transición se calibró con el termómetro de resistencia integrado, obteniendo un coeficiente de -95,7 kHz/K.
Se alcanzó una resolución de 682 microkelvin y una sensibilidad experimental de 48,2 mK/√Hz en condiciones reales, y en el límite de ruido de disparo, 9,6 mK/√Hz, que es dos órdenes de magnitud mejor que la ODMR continua y comparable al diamante masivo. El calentamiento por el láser de bombeo resultó lineal: 337 mK por milivatio, y con la potencia máxima de 0,63 mW la temperatura subió 224 mK. La adición de 10 microlitros de solución de FCCP en DMSO a 200 microlitros de agua provocó un salto de temperatura de 1,5 K, que se disipó en 180 segundos.
Este trabajo se distingue de los vecinos en el archivo porque por primera vez traslada el protocolo de eco térmico a un nanodiamante individual con dos centros NV, no a un conjunto o una muestra masiva. Esto proporciona una localización nanométrica con precisión de milikelvin, algo que antes no existía. Ahora se pueden comprobar hipótesis sobre el calentamiento mitocondrial sin artefactos de disolventes, así como estudiar la generación de calor de partículas catalíticas individuales.
El siguiente paso será introducir estos nanodiamantes en células vivas y medir la temperatura de las mitocondrias en tiempo real. Es posible mejorar la sensibilidad con secuencias más largas de desacoplamiento dinámico o utilizando nanodiamantes con más centros NV. También es prometedora la integración con microfluídica para estudiar los efectos térmicos de reacciones químicas en flujo.
El método influirá en la biología celular, donde se necesitan termómetros locales, y en la catálisis, donde es importante conocer la temperatura en la superficie de una nanopartícula. También puede ser útil en microelectrónica para controlar el calentamiento local.
Probar el funcionamiento del sensor dentro de una célula viva y comparar con modelos teóricos de calentamiento mitocondrial. Optimizar el protocolo para mediciones más rápidas.
Este trabajo está directamente relacionado con la cuestión no resuelta de la existencia de gradientes de temperatura intracelulares causados por la actividad metabólica. El método propuesto ofrece por primera vez la sensibilidad suficiente para comprobar las predicciones de los modelos teóricos sin artefactos de calentamiento externo o disolventes.
Un nanodiamante con dos centros NV proporciona una sensibilidad un 30% mejor que uno con un solo centro, simplemente porque hay el doble de fotones y la coherencia no se ve afectada.