Kvanttianturit liikkeeseen solun sisällä

Intian tiedeinstituutin (IISc) tutkijat ovat kehittäneet tekniikan, jolla kvanttisensoreita voidaan ohjata tarkasti erittäin viskoosien biologisten ympäristöjen, kuten elävien solujen sisätilojen läpi, magneettisten mikrobottien avulla.

Tämä avaa mahdollisuuksia reaaliaikaiseen ja minimaalisesti invasiiviseen parametrien, kuten paikallisen viskositeetin ja lämpötilan, mittaamiseen solujen sisällä.

Professori Ambarish Ghoshin tiimi yhdisti nanotimantti-kvanttianturin, joka sisälsi typpivajausvirheen (NV), magneettisesti ohjattuun mikrobottiin. NV-virheessä on elektroneja, joiden kvanttispintilat riippuvat ympäröivästä ympäristöstä – erilaiset fysikaaliset ominaisuudet, kuten lämpötila ja magneettikenttä, häiritsevät spintiloja erillisillä, mitattavissa olevilla tavoilla.

Kun lasersäde virittää nanotimantin, syntyvää fluoresenssia voidaan käyttää useiden solun sisällä olevien parametrien mittaamiseen. Haasteena oli saada tällainen anturi oikeaan paikkaan. Aiemmissa lähestymistavoissa käytettiin fokusoituja lasersäteitä, joita kutsutaan optisiksi pinseteiksi, nanotimanttien sijoittamiseen ja ohjaamiseen, mutta voimakas valo saattoi polttaa soluja.

IISc-tiimin ratkaisu oli kiinnittää nanotimantti magneettisesti ohjattuun mikrobottiin ja ajaa sitä nesteen läpi kuin korkkiruuvia. Mikrobotti sisältää rautaa, joten kun siihen kohdistetaan ulkoinen pyörivä magneettikenttä, mikrobotti pyörii sen mukana.

Kierteisen muotonsa ansiosta pyöriminen muuttuu eteenpäin suuntautuvaksi lineaariseksi liikkeeksi. Tämä mahdollisti tiimille anturin ohjaamisen tarkasti kolmessa ulottuvuudessa. Itse mittaus tehdään valofluoresenssin avulla.

Nanoskaalalla on ratkaistavana toinenkin ongelma: ympäröivien molekyylien satunnainen lämpövärähtely eli Brownin liike voi aiheuttaa anturin arvaamattoman suunnan, mikä voi lisätä kohinaa ja vähentää herkkyyttä.

”Pystymme torjumaan Brownin liikettä magneettisella manipuloinnilla. Tämä tekee tästä alustasta lupaavamman kuin optiikka tai mikään muu tekniikka”, Ghosh sanoo.

Suunnitellakseen anturinsa tiimin piti yhdistää nanotimantti magneettimoottoriin siten, että toisen ominaisuudet eivät häiritse toisen ominaisuuksia. Tiimi ratkaisi tämän sijoittamalla nanotimantin noin yhden mikronin etäisyydelle mikrokierrebotin rautakärjestä, missä moottorin magneettikentällä on merkityksetön vaikutus anturiin.

”Tätä anturia voidaan käyttää myös elävien solujen sisällä tutkimiseen ja esimerkiksi reaktiivisten happilajien (ROS) mittaamiseen, mikä on ratkaisevan tärkeää syövän ja ikääntymisen yhteydessä”, Ghosh sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Anturointia solujen tasolla

Nopeita mikrorobotteja ihmiskehoon

Miten saada norsu solun sisään