Nanothermometer für Messungen in lebenden Zellen

Will man erkennen, ob ein Mensch Fieber hat, dann misst man seine Körpertemperatur mit einem Thermometer. Auch über diese einfache Anwendung hinaus ist die genaue Bestimmung der Temperatur in lebenden Organismen von großer Bedeutung für Biologie und Medizin. Vor allem hochpräzise Methoden mit sehr kleinen Instrumenten sind heute von Interesse. Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat nun in der Zeitschrift „Nature“ eine Methode vorgestellt, mit der es Temperaturveränderungen im Inneren einer lebenden Zelle mit einer Genauigkeit von mehr als einem Zehntel Grad messen konnte.

Dazu brachten die Forscher winzige Diamantstücke in die Zelle ein. Diese waren mit einzelnen Stickstoffatomen versetzt worden, die eine Störstelle in dem ansonsten sehr regelmäßigen Diamantkristall darstellen. Elektronen können in diesen Störstellen jeweils nur in einem von verschiedenen möglichen Zuständen, auch Niveaus genannt, existieren. Wechselt ein Elektron von einem Zustand in einen anderen und verliert dabei Energie, wird Licht abgegeben. Dieses Licht ist nun im Fall der Diamantstückchen in der Zelle abhängig davon, welche Temperatur in ihrer Umgebung herrscht.

Die Wissenschaftler um Georg Kucsko und Peter Maurer von der Harvard University in den USA brachten solche Diamantstücke in eine lebende Zelle ein. Zusätzlich deponierten sie in der Zelle ein Goldnanopartikel, das sie gezielt mit einem Laser aufheizen konnten. Die Wärmeunterschiede aufgrund der Aufheizung dieses Goldpartikels konnten sie dann mithilfe der Diamantstückchen messen. Dazu beleuchteten sie die Diamantstückchen mit grünem Licht und Mikrowellenstrahlen. So regten sie gezielt Niveausprünge der Elektronen in den Stickstoffstörstellen an, deren Strahlung sie messen konnten. Tatsächlich unterschied sich die gemessene Strahlung abhängig davon, wie weit ein Diamantstückchen vom aufgeheizten Goldpartikel in der Zelle entfernt lag.

Noch erlaubt die Methode keine Messung der eigentlichen Temperatur, sondern nur von Temperaturunterschieden. Die Genauigkeit der Messung ist aber größer als bei anderen Methoden, die mit lebenden Organismen verträglich sind. Die Wissenschaftler arbeiten nun an Möglichkeiten, auch die absolute Temperatur zu messen. Sollten sie damit Erfolg haben, könnten die Temperaturdaten aus dem Inneren von Zellen helfen, eine ganze Reihe von Fragen zu klären – von der eigentlichen Funktionsweise von Zellen bis hin zur Krebstherapie.