Temperatuur en warmte-uitwisseling liggen aan de basis van biologische processen in het hele rijk van de natuur. Verschillende van deze biologische processen worden geassocieerd met temperatuurveranderingen in de orde van enkele graden of zelfs onder de 0,1 graden Celsius. Bij reptielen bijvoorbeeld bepaalt een verschil van minder dan één graad in de incubatietemperatuur van de eieren het geslacht van de pasgeborene. Het menselijk lichaam is geen uitzondering:een kleine temperatuurstijging boven het basale niveau kan de celdynamiek veranderen of de ontmanteling van een tumormatrix veroorzaken, en tijdens aanvallen treden veranderingen in de hersentemperatuur van enkele decimalen op. Om deze processen betrouwbaar te monitoren, zijn benaderingen nodig die het onderzoekssysteem minimaal verstoren en een thermometrische precisie hebben van minder dan 0,1 graad Celsius.

Daartoe is in een nieuwe studie gepubliceerd in Light:Science &Applications , heeft een team van wetenschappers uit Spanje en Portugal de code gekraakt voor een verhoogde precisie in de thermische uitlezing met behulp van luminescente nanothermometers. Dit zijn nanomaterialen waarvan de optische eigenschappen gevoelig zijn voor temperatuurveranderingen, en ze kunnen in biologische (micro)omgevingen worden ingebracht om tot op eencellig niveau als temperatuur-nanosondes te fungeren. Met hun kleinere afmetingen voldoen ze aan de voorwaarde van minimale verstoring van het meetsysteem. Bij gebruik in waterige omgevingen ligt de nauwkeurigheid bij het uitlezen van de temperatuur echter over het algemeen boven de 0,1 graad Celsius.

Om een ​​luminescente nanothermometer te kalibreren, worden veranderingen in de optische eigenschappen van het nanomateriaal kwantitatief gecorreleerd met variaties in de temperatuur van de omgeving. Deze kalibratie gaat door de selectie van een geschikte thermometrische parameter en de verwerving van een kalibratiedataset, wat betekent dat de fotoluminescentie (fotonenabsorptie gevolgd door fotonemissie) van de nanothermometer wordt geregistreerd als een functie van een reeks temperaturen. Door het gebruik van grootschalige analysebenaderingen die gezamenlijk worden aangeduid als dimensionaliteitsreductie, hebben de onderzoekers aangetoond dat het mogelijk is om de selectie van de thermometrische parameter te automatiseren die de precisie van de thermometrische benadering maximaliseert.

"De kalibratie van een luminescente nanothermometer die werd gebruikt om een ​​vervelende trial-and-error-aanpak met zich mee te brengen, waarbij verschillende thermometrische parameters, zoals kleur- en intensiteitsveranderingen, onafhankelijk werden getest. En hoewel de uiteindelijk geselecteerde parameter de beste was van de onderzochte, was er geen garantie dat het DE beste was. Met de aanpak die we voorstellen, kan men gemakkelijk een kalibratiedataset aansluiten en wordt u automatisch beloond met de hoogste precisie die uw nanothermometer zich kan veroorloven", aldus de wetenschappers.

"Om dit resultaat te bereiken, hebben we wiskundige benaderingen gebruikt die aan de basis liggen van technologieën die snel mainstream worden in onze samenleving, zoals gezichts- en spraakherkenning en ruisonderdrukkende apparaten. Deze benaderingen voor het verminderen van dimensionaliteit zijn krachtige algoritmen die in staat zijn om de meest betekenisvolle functies te herkennen van een klasse objecten en negeer kleinere details die over het algemeen minder betekenisvol zijn. Deze training van het algoritme maakt bijvoorbeeld de herkenning van objecten mogelijk."

"Aanpak van dimensionaliteitsreductie maakt het mogelijk om het volledige potentieel van luminescentie-nanothermometrie aan te boren, zodat elke keer dat de nanothermometer die men gebruikt, volgens de hoogste normen werkt. We kunnen nu echt overwegen om luminescente nanothermometrie te gebruiken om voorheen ongrijpbare temperatuurschommelingen die optreden in biologische systemen en correleer ze met fysiologische gebeurtenissen."

De onderzoekers voegden eraan toe dat ze "ervan overtuigd zijn dat we een overvloed aan voorbeelden zullen zien waarin vergelijkbare wiskundige benaderingen worden gebruikt om de menselijke component te minimaliseren en de prestaties van detectietechnologieën te verbeteren." + Verder verkennen

Intracellulaire nanothermometer heeft ongekende veelzijdigheid