Температура управляет скоростью биохимических реакций, но измерить её в одной точке клетки долго не удавалось: датчики были либо крупными, либо неточными. Наноалмазы с NV-центрами давно обещали решить задачу, однако их чувствительность упиралась в короткое время когерентности и слабый сигнал. Рядом в архиве лежат работы по алмазным кубитам, магнитометрии и сенсорам магнитного поля сердца, но именно термометрия на наноалмазах оставалась отстающей: лучшие образцы давали лишь около 130 мК/√Гц. Данная работа стоит особняком, потому что переносит протокол теплового эха, ранее работавший только в объёмном алмазе, на одиночный наноалмаз с двумя NV-центрами.
Взяли наноалмаз диаметром около 280 нанометров, выточенный из изотопически чистого углерода-12, и поместили его на специальный чип с нагревателем и термометром сопротивления. Внутри алмаза оказалось два NV-центра с одинаковой ориентацией, что удвоило фотонный сигнал без потери когерентности. Для измерения температуры применили протокол теплового эха: микроволновые импульсы создавали суперпозицию спиновых состояний, а накопленная фаза зависела от температуры через сдвиг частоты перехода. Частоту переходов калибровали по встроенному термометру сопротивления, получив коэффициент -95,7 кГц/К.
Достигнуто разрешение 682 микрокельвина и экспериментальная чувствительность 48,2 мК/√Гц при реальных условиях, а в пределе дробового шума — 9,6 мК/√Гц, что на два порядка лучше непрерывного ODMR и сравнимо с объёмным алмазом. Нагрев от лазера накачки оказался линейным: 337 мК на милливатт, при максимальной мощности 0,63 мВт температура поднялась на 224 мК. Добавление 10 микролитров раствора FCCP в ДМСО к 200 микролитрам воды вызвало скачок температуры на 1,5 К, который рассеялся за 180 секунд.
Работа отличается от соседних по архиву тем, что впервые переносит протокол теплового эха на одиночный наноалмаз с двумя NV-центрами, а не на ансамбль или объёмный образец. Это даёт нанометровую локализацию при милликельвиновой точности, чего раньше не было. Теперь можно проверять гипотезы о митохондриальном нагреве без артефактов от растворителей, а также изучать тепловыделение отдельных каталитических частиц.
Следующим шагом станет внедрение таких наноалмазов в живые клетки и измерение температуры митохондрий в реальном времени. Возможно улучшение чувствительности за счёт более длительных последовательностей динамической развязки или использования наноалмазов с большим числом NV-центров. Также перспективно объединение с микрофлюидикой для изучения тепловых эффектов химических реакций в потоке.
Метод повлияет на клеточную биологию, где нужны локальные термометры, и на катализ, где важно знать температуру на поверхности наночастицы. Также он может пригодиться в микроэлектронике для контроля локального нагрева.
Проверить работу датчика внутри живой клетки и сравнить с теоретическими моделями митохондриального нагрева. Оптимизировать протокол для более быстрых измерений.
Работа напрямую связана с нерешённым вопросом о существовании внутриклеточных температурных градиентов, вызванных метаболической активностью. Предложенный метод впервые даёт достаточную чувствительность для проверки предсказаний теоретических моделей без артефактов от внешнего нагрева или растворителей.
Этот раздел адресован автору работы и его коллегам. Соседние работы нашёл смысловой поиск по нашему архиву — не по совпадению слов, а по смыслу. Мы не рецензируем: мы показываем поле вокруг.
Что сделано в работе
В работе наноалмаз с двумя NV-центрами используется как термометр: протокол теплового эха, ранее применявшийся в объёмном алмазе, перенесён на одиночную частицу. Получено разрешение 682 мкК и чувствительность 9,6 мК/√Гц в пределе дробового шума. Продемонстрированы измерения лазерного нагрева и экзотермического смешивания ДМСО с водой.
В чём сила
Перенос протокола теплового эха на одиночный наноалмаз с двумя NV-центрами даёт нанометровую локализацию при милликельвиновой точности, что устраняет прежний компромисс между размером датчика и его чувствительностью.
Куда можно двигаться
Что можно попробовать
Почему это может быть важно
Возможность измерять температуру с нанометровым разрешением и милликельвиновой точностью может прояснить роль локального нагрева в клеточных процессах и катализе, где ранее были лишь косвенные оценки.
Работы рядом в нашем архиве
Вокруг этой работы в архиве пусто: ближайший разбор всего на 0.56, при обычных 0.64. Похоже, рядом почти не бурили.
Наноалмаз с двумя NV-центрами даёт на 30% лучшую чувствительность, чем такой же с одним центром, просто потому что фотонов вдвое больше, а когерентность не страдает.