Nanometre-scale thermometry in a living cell.
Nanometre-scale thermometry in a living cell.
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DOI：
10.1038/nature12373
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发表时间：
2013-08-01
期刊：
影响因子：
64.8
通讯作者：
Lukin, M. D.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Kucsko, G.;Maurer, P. C.;Yao, N. Y.;Kubo, M.;Noh, H. J.;Lo, P. K.;Park, H.;Lukin, M. D.
纳米尺度温度变化的灵敏探测是现代科学技术许多领域的一项突出挑战。特别是，能够在大温度范围内实现亚度温度分辨率以及集成到生命系统中的温度计可以为生物、物理和化学研究的许多领域提供强大的新工具；可能性范围从温度诱导的基因表达和肿瘤代谢控制到疾病的细胞选择性治疗和集成电路散热研究。通过将局部光致热源与敏感的纳米级测温相结合，还可以在亚细胞水平上设计生物过程。在这里，我们展示了一种纳米级测温的新方法，该方法利用与钻石中氮空位 (NV) 色心相关的电子自旋的相干操纵。我们展示了检测超纯块状金刚石样品中低至 1.8 mK（灵敏度为 ）的温度变化的能力。利用金刚石纳米晶体（纳米金刚石，ND）中的 NV 中心，我们直接测量小至 200 nm 长度尺度的局部热环境。最后，通过将纳米金刚石和金纳米颗粒引入单个人类胚胎成纤维细胞中，我们展示了亚细胞水平的温度梯度控制和绘图，从而在生命科学中实现了独特的潜在应用。
Sensitive probing of temperature variations on nanometer scales represents an outstanding challenge in many areas of modern science and technology. In particular, a thermometer capable of sub-degree temperature resolution over a large range of temperatures as well as integration within a living system could provide a powerful new tool for many areas of biological, physical and chemical research; possibilities range from the temperature-induced control of gene expression and tumor metabolism to the cell-selective treatment of disease and the study of heat dissipation in integrated circuits. By combining local light-induced heat sources with sensitive nanoscale thermometry, it may also be possible to engineer biological processes at the sub-cellular level. Here, we demonstrate a new approach to nanoscale thermometry that utilizes coherent manipulation of the electronic spin associated with nitrogen-vacancy (NV) color centers in diamond. We show the ability to detect temperature variations down to 1.8 mK (sensitivity of ) in an ultra-pure bulk diamond sample. Using NV centers in diamond nanocrystals (nanodiamonds, NDs), we directly measure the local thermal environment at length scales down to 200 nm. Finally, by introducing both nanodiamonds and gold nanoparticles into a single human embryonic fibroblast, we demonstrate temperature-gradient control and mapping at the sub-cellular level, enabling unique potential applications in life sciences.
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