Kleine platte sensoren die aan het oppervlak van levende cellen kleven, kunnen gedetailleerde metingen van warmteoverdracht aan het celoppervlak leveren. Ontwikkeld aan de King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Saoedi-Arabië, deze nieuwe sensoren lossen enkele van de praktische uitdagingen van het werken met deze kleine cellen op en maken nieuwe diagnostische technieken mogelijk.

Professor Boon Ooi, zijn doctoraat student Rami Elafandy en collega's ontwikkelden deze sensorapparaten van galliumnitride-nanomembranen die slechts 40 nanometer dik zijn. Ze laten ook zien dat de sensoren verschillende soorten kankercellen kunnen identificeren.

ElAfandy legt uit dat optische, mechanische en elektrische eigenschappen van levende cellen zijn uitgebreid bestudeerd en toch zijn er weinig gegevens over hun thermische eigenschappen, vooral vanwege de uitdagingen van het werken met kleine celvolumes en onregelmatige celvormen.

"Cellen hebben onregelmatige gebogen contouren, wat betekent dat het moeilijk is om stevig contact met ze te hebben zonder hun vliezen te beschadigen, " zei ElAfandy. "We hebben de hoge flexibiliteit van nanomembranen gebruikt om de cellulaire contouren te volgen en temperatuurdalingen binnen de cel-sensorinterface die fouten zouden opleveren, te minimaliseren."

Na het bevestigen van de sensor aan het celoppervlak, de onderzoekers pasten een gepulseerde ultraviolette laserstraal toe, het nanomembraan verhitten en een fotoluminescente emissie van licht veroorzaken met een frequentie die afhankelijk is van de temperatuur van het nanomembraan. Deze temperatuur, beurtelings, afhankelijk van hoe goed de warmte in de cel werd overgebracht.

Daarom, door de frequentie van het fotoluminescente licht te meten, de onderzoekers konden niet alleen de thermische geleidbaarheid van de cellen berekenen - hoe goed ze warmte laten stromen - maar ook de thermische diffusie, die rekening houdt met hoe goed de cel thermische energie opslaat.

Eerst, echter, er moest één praktische uitdaging worden overwonnen:"De lasers die we gebruiken, kunnen dodelijke schade aan cellen aanrichten en de nanomembranen zijn te dun om al het gevaarlijke laserlicht te absorberen, " zei ElAfandy. "We hebben dit opgelost door een dunne gouden schijf tussen het nanomembraan en de cel te plaatsen om alle doorgelaten laserstraling te absorberen terwijl warmte van het nanomembraan naar de cel kan diffunderen."

Tijdens testen, de onderzoekers identificeerden sterke verschillen in thermische diffusie tussen borst- en baarmoederhalskankercellen en tussen subtypes van borstkankercellen.

"Onze apparaten zijn ongebruikelijk omdat ze gelijktijdig thermische geleidbaarheid en diffusie meten om een ​​betere beschrijving te geven van het warmtetransport in cellen, " zei Ooi. "We hopen de ruimtelijke resolutie te verhogen om binnen cellen te scannen en informatie te verzamelen over individuele cellulaire organellen. Met enkele belangrijke wijzigingen, op een dag is het misschien zelfs mogelijk om thermisch transport in het menselijk lichaam te meten."