可以同时用作热源和温度计的纳米金刚石传感器

时间：2021-12-24 16:52:25 来源：

（a）图示了涂有热解聚合物的纳米金刚石量子传感器的结构，以及它如何作为混合式纳米加热器/温度计使用。（b）混合传感器的电子显微镜图像。（c）用于测量纳米热导率的混合传感器的工作原理。在热导率较高的介质中，金刚石传感器的温度上升幅度适中，因为热量很容易扩散出去。相反，在低热导率的介质中，温度升高明显更大。可以通过测量细胞中混合传感器的温度变化来确定细胞内的热导率。

一个国际研究人员团队创建了可以用作热源和温度计的纳米金刚石传感器，并将其用于测量活细胞内部的热导率，这可能会导致新的诊断工具和癌症治疗。

大阪大学，昆士兰大学和新加坡国立大学工程学院的科学家团队使用涂有散热聚合物的微小纳米金刚石来探测细胞的热特性。当用激光照射时，这些传感器既可以用作加热器，也可以用作温度计，从而可以计算出电池内部的热导率。这项工作可能会导致一套新的以热为基础的治疗方法，用于杀死细菌或癌细胞。

尽管细胞是所有活生物体的基本单位，但仍难以在体内研究某些物理性质。例如，一个单元的热导率，以及如果一侧是热的而另一侧是冷的，热量可以流过一个物体的速率，则仍然是未知的。我们的知识差距对于诸如开发针对癌细胞的热疗法等应用以及回答有关细胞操作的基本问题至关重要。

（a）在空气，水，油和内部电池中使用混合传感器观察到的温度升高。这些结果与热导率较小的溶剂中出现较高的温度升高的想法是一致的。空气，水和油的热导率的文献值分别为0.026、0.61和0.135 W / m *K。（b）内部装有混合传感器的HeLa细胞的明场显微图像。

现在，该团队开发了一种技术，该技术可以确定空间分辨率约为200 nm的活细胞内部的热导率。他们创造了涂有聚合物（聚多巴胺）的微小钻石，当被激光照射时，它们既发出荧光，又发出热量。实验表明，此类颗粒无毒，可用于活细胞。在液体或细胞内部时，热量会升高纳米金刚石的温度。在具有高导热率的介质中，纳米金刚石不会很快变热，因为热量迅速散失，但是在低导热率的环境中，纳米金刚石变得更热。至关重要的是，发出的光的特性取决于温度，因此研究团队可以计算从传感器到周围环境的热流率。

具有良好的空间分辨率可以在单元内部的不同位置进行测量。“我们发现，用混合纳米传感器测量的细胞中的热扩散速率要比纯水中慢几倍，这是一个令人着迷的结果，仍在等待全面的理论解释，并取决于位置。”资深作者塔拉斯（Taras）普拉霍特尼克说。

高级作者马多卡·铃木（Madoka Suzuki）表示：“除了改进基于热的癌症治疗方法，我们认为这项工作的潜在应用将使人们更好地理解肥胖等代谢性疾病。”该工具还可用于基础细胞研究，例如实时监测生化反应。

参考：Shingo Sotoma，Chongxia Zhong，James Chen Yong Kah，Hayato Yamashita，Taras Plakhotnik，Yoshie Harada和Madoka Suzuki使用加热器温度计混合金刚石纳米传感器原位测量细胞内热导率，科学进展，2021
年1月15日。DOI：10.1126 / sciadv.abd7888

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