مقياس الحرارة الكمومي النانوي لقياس حرارة الجسم ترمومتر الكم Nanodiamond
يقيس مقياس الحرارة الكمومي النانوي درجة حرارة الديدان
قام الباحثون بقياس درجة حرارة الديدان
الخيطية C. elegans من خلال تتبع الماس النانوي المدمج. (بإذن من: ماسازومي فوجيوارا ، جامعة
مدينة أوساكا)
كيف تقيس درجة حرارة الدودة؟ مع مقياس حرارة
الكم بالطبع. هذا هو بالضبط ما حققه الباحثون باستخدام أجهزة تحتوي على الماس النانوي
مع مراكز خلل في النيتروجين (NV)
، حيث تتغير الرنين المغناطيسي مع درجة الحرارة. قد تكون التقنية الجديدة مهمة لمجموعة
من التطبيقات السريرية.
قد تسأل ، لماذا تقيس درجة حرارة الدودة؟
أحد الأسباب هو أن درجة الحرارة داخل الكائن الحي هي مقياس مباشر للأنشطة البيولوجية
التي تحدث في الداخل. يجب أن يوفر النزول إلى نطاق درجة حرارة المقياس دون الميكرون
، كما في هذا العمل الجديد ، معلومات مفصلة عن الأنشطة الخلوية والجزيئية. قد يكون
هذا مهمًا للتطبيقات السريرية مثل تصوير هياكل الأنسجة الفرعية للدماغ ، وتصور عدم
تجانس الورم ورسم خرائط الخلايا الشحمية ، على سبيل المثال لا الحصر. ومع ذلك، فليس
من السهل تقليل حجم موازين الحرارة المتوافقة حيوياً إلى هذا النطاق الصغير.
شهدت السنوات الأخيرة ظهور مقاييس الحرارة
النانوية الباعثة للضوء -مثل المجسات الجزيئية المستجيبة للحرارة والجسيمات النانوية
-التي يمكنها التغلب على هذا القيد التقني. ومع ذلك، فإن معظم الأجهزة التي تم تصنيعها
حتى الآن ليست قوية بما يكفي للاستخدام على المدى الطويل ويمكنها فقط مراقبة التغيرات
في درجات الحرارة على مدى فترات طويلة نسبيًا (ساعات). كما أنها ليست متوافقة حيويًا
تمامًا.
موازين الحرارة الكمية الماسية النانوية
تعتبر موازين الحرارة الكمومية النانوية
المستخدمة في الدراسة الجديدة واعدة في العديد من النواحي. المجسات مصنوعة من الماس
النانوي، والذي يحتوي بشكل طبيعي على عيوب تُعرف بمراكز NV.
تحدث هذه عندما يتم استبدال ذرتين متجاورتين من الكربون في شبكة الماس بذرة نيتروجين
وموقع شبكي فارغ.
يحتوي النيتروجين على إلكترون إضافي يظل
غير متزاوج وبالتالي يتصرف مثل دوران معزول. يمكن أن يكون هذا الدوران "لأعلى"
أو "لأسفل" أو في تراكب بين الاثنين. يمكن التحقق من حالته عن طريق إضاءة
الماس بضوء الليزر وتسجيل شدة وترددات التألق المنبعث.
تعد NVs
في الماسات النانوية مثالية كمجسات بيولوجية لأنها غير سامة ومستقرة
للضوء ولها أسطح يمكن تشغيلها ويمكن إدخالها بسهولة في الخلايا الحية. كما أنها معزولة
عن محيطها، مما يعني أن سلوكها الكمي لا يتأثر فورًا بالتقلبات الحرارية المحيطة، ويمكنها
اكتشاف المجالات المغناطيسية الضعيفة جدًا التي تأتي من الدورات الإلكترونية أو النووية
القريبة. وبالتالي يمكن استخدامها كمسبارات رنين مغناطيسي عالية الحساسية قادرة على
مراقبة تغيرات الدوران المحلية في مادة ما على مسافات تصل إلى بضع عشرات من النانومترات.
وعلى عكس تقنيات التصوير بالرنين المغناطيسي التقليدية (MRI) في علم الأحياء، والتي تتطلب
الملايين من السبينات لإنتاج إشارة قابلة للقياس، يمكن لعيوب NV الكشف عن
الدورات المستهدفة الفردية بدقة مكانية على نطاق نانوي.
الديدان السليمة مقابل الديدان المصابة
بالحمى
في تجاربهم ، قام ماسازومي فوجيوارا من
جامعة مدينة أوساكا في اليابان وزملاؤه بتفعيل أسطح الألماس النانوي بهياكل بوليمر
وحقنوها في الديدان الخيطية (أحد أشهر النماذج الحيوانية في علم الأحياء). بدأ المستشعر
بقراءة درجة الحرارة "الصحية" الأساسية للمخلوقات على أنها تحول في التردد
للرنين المغناطيسي المكتشف بصريًا لمراكز عيوب NV.
نظرًا لأن الألماس النانوي يتحرك بسرعة
أكبر داخل دودة من الخلايا المستزرعة ، فقد طور الباحثون خوارزمية سريعة لتتبع الجسيمات.
كما تضمنت أيضًا مرشحًا لتصحيح الخطأ يأخذ في الاعتبار بنية جسم الدودة، والتي يمكن
أن تسبب تقلبات كبيرة في شدة ضوء الفلورسنت المنبعث ويمكن أن تخلق نتائج لقياس درجة
الحرارة.
بعد ذلك ، تسبب الفريق ، الذي أبلغ عن عملهم
في Science Advances ، في إحداث "حمى" اصطناعية في الديدان عن طريق تحفيز الميتوكوندريا
الخاصة بهم باستخدام مادة كيميائية. نجح جهاز الاستشعار الخاص بهم في تسجيل الزيادة
في درجة الحرارة هذه بدقة تبلغ حوالي ± 0.22 درجة مئوية.
يقول فوجيوارا: "كان من الرائع رؤية
تقنية الكم تعمل جيدًا في الحيوانات الحية ولم أتخيل أبدًا أن درجات حرارة الديدان
الصغيرة التي يقل حجمها عن 1 مم يمكن أن تنحرف عن المعتاد وتتطور إلى حمى".
"تعتبر نتائجنا معلمًا مهمًا سيوجه الاتجاه المستقبلي للاستشعار الكمومي لأنه
يوضح كيف يساهم في علم الأحياء."
فيديو من جامعة اوساكا
https://www.osaka-cu.ac.jp/en/news/2020/200912-1
المصدر موقع :
https://physicsworld.com/a/nanodiamond-quantum-thermometer-measures-the-temperature-of-worms/
تعليقات
إرسال تعليق