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研究利用纳米钻石温度计测活细胞 |
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使用量子技术，能用于控制细胞温度 |
研究人员用激光加热细胞的特殊部位，然后使用纳米钻石测量了温度。
图片来源：GEORG KUCSKO
本报讯 一种最初为量子计算机开发的工具，现在能够测量一个活细胞内的温度变化。
该技术利用微小钻石晶体或“纳米钻石”的量子效应，检测千分之几度的温度变化。在其帮助下，研究人员也能够用激光加热细胞的一些特定部分。“现在，我们有工具在细胞级别上控制温度，同时也能研究生物系统如何应对温度变化。”美国哈佛大学物理学家Peter Maurer说，他参与了该实验。相关研究成果日前发表于《自然》杂志。
钻石已经成为处理量子信息的一种有用材料。在经典计算中，信息被储存成二进制数字（bit），可能是0或1。但是，一个量子比特（qubit）是同一时刻两个状态的叠加。钻石能在其碳晶格中以杂质的电子态储存量子比特。这些杂质包含取代了一个碳原子和单原子间隙的氮原子。
研究人员成功地操控了这些氮-空位中心，这朝着使用它们进行量子计算迈进了一步。并且由于氮原子的电子对磁场非常敏感，钻石晶体在核磁共振成像方面也具有潜力。
另外，这类磁探针对温度的微小波动非常敏感。通过将探针用作精确温度计，研究人员开始将其潜在的弱势转变成优势。现在，Maurer及其同事已将这种工具用于生物学上。
研究人员使用纳米细线将钻石晶体注入人类胚胎细胞。然后，他们用绿色激光射线照射该细胞，从而导致氮杂质发出红色的荧光。
细胞内部局部温度的变化，影响了氮-空位中心发射的红光的强度。研究人员能够测量这种强度，并利用相关结果计算相应纳米钻石的温度。由于导热性能好，这种纳米晶体的温度可能与其接触的细胞环境的温度一致。
研究人员还为细胞注射了金纳米粒子，然后使用激光加热细胞的不同部位。多亏这种微小钻石温度计，他们能够精确地控制何处温度上升，以及上升多少。
Maurer提到，在基础物理学中，钻石温度计可能会是一个有用的工具，因为从基因表达到细胞新陈代谢，许多生物进程都深受温度的影响。例如，生物学家能够通过控制局部温度，研究秀丽隐杆线虫等简单生物体的发育。“你能够加热个别细胞，并研究周围细胞的繁殖速度是减慢还是加快。”Maurer说。
其他研究小组则使用荧光分子反映人体细胞的温度，但是哈佛大学的温度计要比那些技术敏感至少10倍。Maurer表示，它能探测仅为0.05开尔文的温度波动。研究人员还指出，该技术尚有改进的空间，因为在细胞外部，这种微小装置的敏感性已经能达0.0018开尔文。
加利福尼亚大学圣塔巴巴拉分校物理学家David Awschalom表示，该纳米钻石温度计在化学中也有潜在用途，它能监控热流如何影响化学反应，尤其是在两种物质的连接处。（张章）
《中国科学报》 (2013-08-07 第2版 国际)
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