I ricercatori utilizzano minuscoli diamanti per creare intra

I nanodiamanti intrappolati otticamente potrebbero essere utilizzati per misurare la temperatura, i campi magnetici e altre proprietà all’interno delle cellule viventi

OTTICO

immagine: schema della configurazione ottica utilizzata per l'intrappolamento ottico (a) con un'immagine del nanodiamante fluorescente (FND) all'interno di una cellula leucemia (b).vedere di più

Crediti: Fatemeh Kalantarifard, Università Tecnica della Danimarca

I ricercatori utilizzano minuscoli diamanti per creare sensori intracellulari

I nanodiamanti intrappolati otticamente potrebbero essere utilizzati per misurare la temperatura, i campi magnetici e altre proprietà all’interno delle cellule viventi

VANCOUVER – I ricercatori hanno sviluppato un nuovo modo per studiare le complesse dinamiche all’interno delle cellule viventi utilizzando particelle di nanodiamanti intrappolate otticamente come sensori intracellulari. Utilizzando pinzette ottiche personalizzate, il gruppo di ricerca ha intrappolato le particelle all'interno della cellula a bassa potenza mentre la cellula era viva. Il lavoro rappresenta un importante progresso nel rilevamento quantistico, che sfrutta la meccanica quantistica per analizzare i cambiamenti a livello atomico.

I ricercatori hanno utilizzato pinzette ottiche per intrappolare le particelle di nanodiamante all’interno di singole cellule leucemiche e hanno poi dimostrato come le particelle possano essere utilizzate per misurare il rumore magnetico all’interno della cellula. Fatemeh Kalantarifard dell'Università Tecnica della Danimarca illustrerà in dettaglio il lavoro al Congresso di Biofotonica di Optica che si terrà a Vancouver, Columbia Britannica e online dal 23 al 27 aprile 2023. La presentazione di Kalantarifard è prevista per lunedì 24 aprile alle 15:00-15:15 PDT (UTC – 07:00).

Nanodiamanti intrappolati otticamente I nanodiamanti fluorescenti (FND) hanno suscitato interesse come promettenti emettitori e sensori per varie applicazioni. Una delle proprietà più notevoli dei FND è il rilevamento di parametri fisici, tra cui temperatura e campo magnetico, mediante rilevamento quantistico. Il rilevamento quantistico del diamante si basa su un difetto paramagnetico nel diamante, il centro di posti vacanti di azoto (NV), che consente di leggere la temperatura e lo spin degli elettroni dipendente dal campo magnetico su scala nanometrica.

Recentemente, i ricercatori hanno utilizzato nanodiamanti fluorescenti contenenti centri NV come sensori intracellulari. Nel lavoro presentato alla conferenza, i ricercatori hanno combinato l'intrappolamento di FND con tecniche di misurazione della fotoluminescenza basate sullo spin comuni nel rilevamento basato sui diamanti in una singola cellula. Le FND sono state prima endocitate da cellule di una linea cellulare di leucemia umana e poi sono state intrappolate da un laser nel vicino IR (lunghezza d'onda di 1064 nm) a bassa potenza mentre la cellula rimaneva in vita.

Rilevamento su scala nanometrica Una volta posizionati i nanodiamanti all'interno delle cellule e/o sulla superficie cellulare, i ricercatori hanno condotto misurazioni della relaxometria T1 per testare le loro capacità di rilevamento. Questo metodo prevede l'accensione e lo spegnimento di un impulso laser verde (lunghezza d'onda 532 nm) che polarizza gli spin degli elettroni dei centri NV e quindi li fa ritornare all'equilibrio. Poiché la configurazione polarizzata mostra una fluorescenza più forte rispetto allo stato di equilibrio, i ricercatori determinano la velocità di rilassamento dello spin monitorando otticamente il livello di intensità della fluorescenza.

Poiché il rumore magnetico nell’ambiente circostante influisce sulla velocità di rilassamento dello spin, il confronto dei tassi di rilassamento dello spin tra nanodiamanti posizionati in luoghi diversi consente ai ricercatori di mappare il rumore magnetico all’interno della cellula. La dimostrazione mostra che i nanodiamanti fluorescenti intrappolati otticamente potrebbero rappresentare un metodo preciso e flessibile per analizzare proprietà come il campo magnetico e la temperatura all'interno delle cellule viventi.

"La combinazione dell'intrappolamento ottico di nanoparticelle di diamante e del rilevamento quantistico basato su nanodiamanti può fornire un potente strumento per studiare le proprietà meccaniche delle cellule. L'intrappolamento ottico può aiutare a mantenere i sensori basati su nanodiamanti con elevata precisione, consentendo misurazioni più accurate a livello di nanoscala. In particolare, le misurazioni della rilassometria T1 di nanodiamanti intrappolati otticamente possono essere utilizzate per il rilevamento dei radicali liberi nelle cellule. I radicali liberi sono molecole altamente reattive che possono causare danni a cellule e tessuti. Sono prodotti naturalmente nel corpo a causa del metabolismo e possono anche essere generati dall'esposizione a fattori ambientali come radiazioni o tossine", ha affermato Kalantarifard. "L'uso di nanodiamanti intrappolati otticamente per il rilevamento dei radicali liberi offre numerosi vantaggi, tra cui elevata sensibilità, non invasività e la capacità di monitorare i cambiamenti in tempo reale nel tempo di rilassamento T1. Questa tecnica può essere utilizzata per studiare gli effetti dello stress ossidativo su cellule e potrebbero avere potenziali applicazioni nella diagnosi e nel trattamento di malattie come il cancro e i disturbi neurodegenerativi”.