单细胞量子测温技术实现细胞内精准温度监测

来源：科技日报

细胞内部是一个充满动态活动的微观世界。从新陈代谢到信号传递，每一个生命过程都伴随着能量的转换与热量的细微变化。若能对单个活细胞乃至其细胞核进行精准的温度测量，将极大推动生命科学的前沿探索。近期，来自日本东京大学与千叶大学的联合科研团队，成功将这一构想转化为现实。

该团队创新研发出一款新型量子温度计，其尺寸微小到能够直接进入单个活细胞内部，并对细胞核等亚细胞结构实现高精度温度监测。这项突破性的研究成果已正式发表于国际权威期刊《科学进展》。

这款微型“温度探针”是如何制备的呢？其核心材料是一种称为并五苯的碳氢化合物分子。研究人员首先将该分子嵌入特定晶体基质中，随后通过物理方法将晶体破碎成纳米级颗粒。为防止颗粒团聚并确保其生物相容性，科学家使用聚合物材料对颗粒进行了表面包覆处理。最终制成的温度传感器直径仅为200或500纳米，尺寸小于人类红细胞，足以轻松进入细胞。

该传感器的测温原理，源于量子力学中的独特现象。其关键在于并五苯分子内电子所处的量子“叠加”态——即电子可同时存在于多种能量状态。当使用绿色激光照射传感器时，它会激发出红色荧光。此时，若再施加特定频率的微波进行激发，所发出的红光强度便会发生可测量的衰减。

关键在于，传感器所处微环境的温度（包括其自身温度）会精确影响“触发”这种荧光衰减所需的微波特征频率。研究团队已成功标定了微波频率与温度之间的精确对应关系。因此，只需观测在哪个微波频率下红光强度开始减弱，即可反向精准计算出传感器所在位置的实时温度。

为了将传感器递送至细胞内部，团队采用了两种高效的细胞导入方法：一是将培养的癌细胞置于含有传感器的溶液中，利用细胞的胞吞作用自然内化；二是通过显微注射技术，直接将传感器注入目标细胞核内。随后，研究人员向细胞内的传感器发射激光并扫描一系列微波频率，通过实时监测荧光信号的变化，最终成功实现了对细胞内部温度的动态测量。

此项单细胞测温技术的科学价值与应用前景十分广阔。它使得研究人员首次能够在生命活动最基本的空间尺度上，对温度变化进行实时、原位的监测，从而为深入解析细胞代谢、酶动力学、信号转导以及疾病发生发展过程中的能量代谢与热力学特征，提供了前所未有的强大工具。微观尺度温度测量，正成为开启生命奥秘之门的又一把关键钥匙。