I nanotermometri luminescenti hanno una dimensione molto più piccola dei batteri e delle cellule umane, rendendo possibile la misurazione delle temperature in organismi così piccoli. D'altra parte, i termometri classici sono molto più grandi e non possono monitorare la temperatura nei microambienti biologici con una risoluzione spaziale sufficiente e senza disturbare pesantemente le specie sondate. Credito:Erving Ximendes
La temperatura e lo scambio termico sono alla base dei processi biologici in tutto il regno della Natura. Molti di questi processi biologici sono associati a variazioni di temperatura dell'ordine di pochi gradi o addirittura inferiori a 0,1 gradi Celsius. Ad esempio, nei rettili una differenza inferiore a un grado nella temperatura di incubazione delle uova determina il sesso del neonato. Il corpo umano non fa eccezione:un piccolo aumento della temperatura al di sopra del livello basale potrebbe alterare la dinamica cellulare o indurre lo smantellamento di una matrice tumorale, e durante le crisi si verificano variazioni della temperatura cerebrale di pochi decimali. Per monitorare in modo affidabile questi processi, sono necessari approcci che perturbano minimamente il sistema di studio e abbiano una precisione termometrica inferiore a 0,1 gradi Celsius.
A tal fine, in un nuovo studio pubblicato su Light:Science &Applications , un team di scienziati spagnoli e portoghesi ha decifrato il codice per una maggiore precisione nella lettura termica utilizzando nanotermometri luminescenti. Si tratta di nanomateriali le cui proprietà ottiche sono sensibili alle variazioni di temperatura e possono essere inseriti in (micro)ambienti biologici per fungere da nanosonde di temperatura fino al livello unicellulare. Con le loro dimensioni ridotte, soddisfano il prerequisito della minima perturbazione del sistema sondato. Tuttavia, quando si opera in ambienti acquosi, la precisione nella lettura della temperatura è generalmente superiore a 0,1 gradi Celsius.
Per calibrare un nanotermometro luminescente, i cambiamenti nelle proprietà ottiche del nanomateriale sono quantitativamente correlati con le variazioni della temperatura dell'ambiente circostante. Questa calibrazione passa attraverso la selezione di un opportuno parametro termometrico e l'acquisizione di un dataset di calibrazione, il che significa che la fotoluminescenza (assorbimento di fotoni seguito da emissione di fotoni) del nanotermometro viene registrata in funzione di un insieme di temperature. Attraverso l'uso di approcci di analisi di dati di grandi dimensioni denominati collettivamente riduzione della dimensionalità, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile automatizzare la selezione del parametro termometrico che massimizza la precisione dell'approccio termometrico.
(a) Un nanotermometro luminescente è una nanoparticella fotoluminescente che può assorbire e riemettere energia sotto forma di luce (le frecce ondulate raffigurano i fotoni). (b) Per la calibrazione di un nanotermometro luminescente, è necessario registrarne la fotoluminescenza a diverse temperature. (c) Classicamente, questo è seguito dalla selezione di un parametro termometrico come la posizione del massimo (λ) o dell'intensità integrata (I) dello spettro di emissione e tracciandolo rispetto al valore della temperatura a cui è stato raccolto ciascuno spettro. Credito:Erving Ximendes
"La calibrazione di un nanotermometro luminescente comportava un noioso approccio per tentativi ed errori in cui diversi parametri termometrici, come i cambiamenti di colore e intensità, venivano testati in modo indipendente. E, mentre il parametro alla fine selezionato era il migliore tra quelli studiati, c'era nessuna garanzia che fosse IL migliore. Con l'approccio che proponiamo, si può facilmente collegare un set di dati di calibrazione e si viene automaticamente ricompensati con la massima precisione che il nanotermometro può permettersi", hanno affermato gli scienziati.
"Per ottenere questo risultato, abbiamo utilizzato approcci matematici che sono alla base delle tecnologie che stanno rapidamente diventando mainstream nella nostra società, come il riconoscimento facciale e vocale e i dispositivi di cancellazione del rumore. Questi approcci di riduzione della dimensionalità sono potenti algoritmi in grado di riconoscere le caratteristiche più significative di una classe di oggetti e ignorare i dettagli più piccoli che sono complessivamente meno significativi. Questo addestramento dell'algoritmo consente, ad esempio, il riconoscimento di oggetti."
(a) L'applicazione di un approccio di riduzione della dimensionalità (in questo caso una trasformazione lineare come l'analisi delle componenti principali) porta alla definizione di un nuovo spazio di coordinate in cui una variazione di temperatura è più facilmente quantificabile. (b) Un esempio della maggiore precisione della nanotermometria a luminescenza ottenuta applicando approcci di riduzione della dimensionalità (DR) (linea verde acqua) rispetto a un classico approccio per tentativi ed errori (linea magenta) per definire il parametro termometrico. La linea nera è la temperatura reale del mezzo in cui sono incorporati i nanotermometri luminescenti. Credito:Erving Ximendes
"Gli approcci di riduzione della dimensionalità consentono di sfruttare tutto il potenziale della nanotermometria a luminescenza, assicurando che ogni volta che il nanotermometro utilizzato funzioni ai più alti standard. Ora possiamo davvero considerare l'utilizzo della nanotermometria luminescente per monitorare le fluttuazioni di temperatura precedentemente elusive che si verificano nei sistemi biologici e correlarli con eventi fisiologici."
I ricercatori hanno aggiunto che "sono fiduciosi che vedremo un fiorire di esempi in cui vengono impiegati approcci matematici simili per ridurre al minimo la componente umana e migliorare le prestazioni delle tecnologie di rilevamento". + Esplora ulteriormente
