Een team van de Osaka City University, in samenwerking met andere internationale partners, heeft een betrouwbare, nauwkeurig, op een microscoop gebaseerde thermometer met behulp van kwantumtechnologie die de temperatuur van microscopisch kleine dieren meet. De technologie detecteert temperatuurafhankelijke eigenschappen van kwantumspins in fluorescerende nanodiamanten.

Het onderzoek is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

De optische microscoop is een van de meest elementaire hulpmiddelen voor analyse in de biologie, zichtbaar licht gebruiken om microscopisch kleine structuren direct waar te nemen. In het moderne laboratorium fluorescentiemicroscopie, een verbeterde versie van optische microscopie met behulp van fluorescerende biomarkers, is nu wijder verspreid. Recente ontwikkelingen in fluorescentiemicroscopie hebben het mogelijk gemaakt om de details van een structuur live in beeld te brengen, en hierdoor, het verkrijgen van verschillende fysiologische parameters in deze structuren, zoals pH, reactieve zuurstofsoorten en temperatuur.

Quantum sensing is een technologie die gebruik maakt van de ultieme gevoeligheid van fragiele kwantumsystemen voor de omgeving. MRI's met hoog contrast zijn voorbeelden van kwantumspins in fluorescerende diamanten en zijn enkele van de meest geavanceerde kwantumsystemen die in de voorhoede werken van toepassingen in de echte wereld. Toepassingen van deze techniek op thermische biologie werden zeven jaar geleden geïntroduceerd om temperaturen in gekweekte cellen te kwantificeren. Echter, ze moesten nog worden toegepast op dynamische biologische systemen waar warmte en temperatuur actiever betrokken zijn bij biologische processen.

Het onderzoeksteam versierde het oppervlak van de nanodiamanten met polymeerstructuren en injecteerde ze in C. elegans nematodenwormen, een van de meest populaire modeldieren in de biologie. De onderzoekers probeerden de basistemperatuur van de wormen te achterhalen. Eenmaal binnen, de nanodiamanten bewogen snel, maar het nieuwe kwantumthermometrische algoritme van het team heeft ze met succes gevolgd en de temperatuur gestaag gemeten. De onderzoekers veroorzaakten koorts bij de wormen door hun mitochondriën te stimuleren met een farmacologische behandeling. De kwantumthermometer van het team heeft met succes een temperatuurstijging in de wormen waargenomen.

"Het was fascinerend om te zien hoe kwantumtechnologie zo goed werkt bij levende dieren, en ik had nooit gedacht dat de temperatuur van kleine wormen van minder dan 1 mm van de norm zou kunnen afwijken en zich tot koorts zou kunnen ontwikkelen, " zei Masazumi Fujiwara, een docent aan de afdeling Wetenschappen van de Osaka City University. "Onze resultaten zijn een belangrijke mijlpaal die richting zal geven aan de toekomstige richting van kwantumdetectie, omdat het laat zien hoe het bijdraagt ​​aan de biologie, "