Kleinstes Thermometer der Welt in Hautzellen getestet

11. August 2013, 17:51
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Entwicklung ein Nebenprodukt der Quantencomputerforschung - Messgenauigkeit deutlich höher als bei bisherigen Methoden

Cambridge/Wien - Eigentlich ging es darum, wieder einmal ein Etappenziel auf dem Weg zum Quantencomputer zu erreichen. Dann jedoch warf die verwendete Technologie - im konkreten Fall künstliche Diamanten auf Nano-Level - einen anderen potenziellen Nutzen ab: Die Diamanten reagieren nämlich sehr sensibel auf Wärme. Und was in Quantenexperimenten stört, könnte sich in Biologie und Medizin als Vorteil erweisen.

Einer der beiden Erstautoren der in der Fachzeitschrift "Nature" beschriebenen Entwicklung ist der an der Harvard University arbeitende österreichische Physiker Georg Kucsko. Die Wissenschafter um Kucsko und seinen ebenfalls in Harvard tätigen Schweizer Kollegen Peter Maurer forschten bisher vor allem daran, wie den Nanodiamanten Quanteninformation über längere Zeiträume hinweg eingeschrieben werden kann.

Das ursprüngliche Ziel

Dazu verunreinigten sie künstlich hergestellte Diamanten mit geringen Mengen Stickstoff. In direkter Umgebung eines Stickstoffatoms fehlt ein Kohlenstoffatom. Ein solches Konstrukt mit einer Leerstelle nennt sich "N-V-Zentrum" (N für Stickstoff und V für "Vacancy", also Leerstelle). Die dort herrschenden besonderen magnetischen Eigenschaften sollen - so das ursprüngliche Ziel der Quantenphysiker - dazu genutzt werden, Quanteninformation in den Diamant einzuschreiben bzw. auszulesen.

Die magnetischen Eigenschaften der N-V-Zentren reagieren allerdings auch extrem empfindlich auf Temperaturschwankungen. Diese Empfindlichkeit nützen die Forscher nun für einen neuen Ansatz. Beleuchtet man einen solchen Diamanten mit einem grünen Laser, sendet das N-V-Zentrum rotes Licht aus. Je nach Temperatur ändert sich die Intensität des emittierten roten Lichts, was man zur Messung der Temperatur nutzen kann.

Erster Probeeinsatz

Die Wissenschafter brachten nun solche Diamanten an verschiedenen Stellen in lebende menschliche Hautzellen ein. So lässt sich die Temperatur in kleinen Bereichen einer Zelle bis auf Tausendstel Grad Celsius genau messen. Damit ist diese Methode mindestens zehn Mal genauer als bisherige Verfahren.

Das lässt sich aber auch ausbauen, denn die Temperatur in den Zellen kann auch verändert werden: Die Forscher brachten zusätzlich Gold-Nanopartikel in die Zellen ein und bestrahlten auch diese mit einem Laser. Dadurch kann die Temperatur in bestimmten Zellarealen beeinflusst - und mithilfe der Nanodiamanten präzise kontrolliert - werden.

Kucsko denkt an zahlreiche vorstellbare Anwendungen der Nanothermometer: "Einerseits könnte man sie verwenden, um chemische Reaktionen genau zu kontrollieren." So ließe sich zum Beispiel messen, wie die Wärme an der Grenzfläche zwischen zwei Substanzen fließt. Aber auch biologische Prozesse, von der Genexpression bis zum zellulären Stoffwechsel, werden stark von der Temperatur beeinflusst. Auch die Kombination mit den Goldpartikeln könnte interessant sein: So werden Hitzeeffekte bereits aktiv verwendet, um Tumorzellen zu töten. Probleme gebe es hier vor allem, weil oft die Temperatur in den Zellen unklar sei. Das Nanothermometer liefere diese Informationen aber punktgenau, so der Forscher. (APA/red, derStandard.at, 11. 8. 2013)

  • Illustration des Nanothermometers: Im Inneren dieser Zelle befinden sich sowohl Nanodiamanten als auch ein Nano-Goldpartikel. Letzteres wird durch einen Laser aufgeheizt - die Nanodiamanten messen anschließend die lokale Temperatur.
    illustration: georg kucsko

    Illustration des Nanothermometers: Im Inneren dieser Zelle befinden sich sowohl Nanodiamanten als auch ein Nano-Goldpartikel. Letzteres wird durch einen Laser aufgeheizt - die Nanodiamanten messen anschließend die lokale Temperatur.

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