Les nanothermomètres luminescents ont une taille beaucoup plus petite que les bactéries et les cellules humaines, ce qui rend possible la mesure des températures dans de si petits organismes. D'autre part, les thermomètres classiques sont beaucoup plus grands et ne peuvent pas surveiller la température dans les microenvironnements biologiques avec une résolution spatiale suffisante et sans perturber fortement les espèces sondées. Crédit :Erving Ximendes
La température et l'échange de chaleur sont à la base des processus biologiques dans tout le domaine de la nature. Plusieurs de ces processus biologiques sont associés à des changements de température de l'ordre de quelques degrés voire inférieurs à 0,1 degré Celsius. Par exemple, chez les reptiles, une différence de moins d'un degré dans la température d'incubation des œufs détermine le sexe du nouveau-né. Le corps humain ne fait pas exception :une petite augmentation de la température au-dessus du niveau basal pourrait altérer la dynamique cellulaire ou induire le démantèlement d'une matrice tumorale, et lors des crises, des changements de température cérébrale de quelques décimales se produisent. Pour surveiller de manière fiable ces processus, des approches qui perturbent le moins possible le système d'études et ont une précision thermométrique inférieure à 0,1 degré Celsius sont nécessaires.
À cette fin, dans une nouvelle étude publiée dans Light :Science &Applications , une équipe de scientifiques d'Espagne et du Portugal a déchiffré le code pour une précision accrue de la lecture thermique à l'aide de nanothermomètres luminescents. Ce sont des nanomatériaux dont les propriétés optiques sont sensibles aux changements de température, et ils peuvent être insérés dans des (micro)environnements biologiques pour agir comme des nanosondes de température jusqu'au niveau de la cellule unique. Avec leur taille réduite, ils respectent le prérequis d'une perturbation minimale du système sondé. Cependant, lors du fonctionnement dans des environnements aqueux, la précision de la lecture de la température est généralement supérieure à 0,1 degré Celsius.
Pour calibrer un nanothermomètre luminescent, les changements dans les propriétés optiques du nanomatériau sont corrélés quantitativement avec les variations de la température du milieu environnant. Cet étalonnage passe par la sélection d'un paramètre thermométrique adapté et l'acquisition d'un jeu de données d'étalonnage, c'est-à-dire que la photoluminescence (absorption de photons suivie d'émission de photons) du nanothermomètre est enregistrée en fonction d'un ensemble de températures. Grâce à l'utilisation d'approches d'analyse de données volumineuses appelées collectivement réduction de la dimensionnalité, les chercheurs ont démontré qu'il est possible d'automatiser la sélection du paramètre thermométrique qui maximise la précision de l'approche thermométrique.
(a) Un nanothermomètre luminescent est une nanoparticule photoluminescente qui peut absorber et réémettre de l'énergie sous forme de lumière (les flèches sinueuses représentent les photons). (b) Pour l'étalonnage d'un nanothermomètre luminescent, sa photoluminescence à différentes températures doit être enregistrée. (c) Classiquement, cela est suivi de la sélection d'un paramètre thermométrique comme la position du maximum (λ) ou de l'intensité intégrée (I) du spectre d'émission et de le tracer par rapport à la valeur de température à laquelle chaque spectre a été collecté. Crédit :Erving Ximendes
"L'étalonnage d'un nanothermomètre luminescent impliquait une approche fastidieuse d'essais et d'erreurs dans laquelle différents paramètres thermométriques, tels que les changements de couleur et d'intensité, étaient testés indépendamment. Et, bien que le paramètre finalement sélectionné soit le meilleur parmi ceux étudiés, il y avait aucune garantie que c'était LE meilleur. Avec l'approche que nous proposons, on peut facilement brancher un ensemble de données d'étalonnage et vous êtes automatiquement récompensé par la plus haute précision que votre nanothermomètre peut se permettre », ont déclaré les scientifiques.
"Pour obtenir ce résultat, nous avons utilisé des approches mathématiques qui sont à la base de technologies qui deviennent rapidement courantes dans notre société, comme la reconnaissance faciale et vocale et les dispositifs de suppression du bruit. Ces approches de réduction de la dimensionnalité sont de puissants algorithmes capables de reconnaître les caractéristiques les plus significatives. d'une classe d'objets et négliger les petits détails qui sont globalement moins significatifs. Cet apprentissage de l'algorithme permet, par exemple, la reconnaissance d'objets."
(a) L'application d'une approche de réduction de dimensionnalité (dans ce cas une transformation linéaire telle que l'analyse en composantes principales) aboutit à la définition d'un nouvel espace de coordonnées dans lequel un changement de température est plus facilement quantifiable. ( b ) Un exemple de la précision accrue de la nanothermométrie de luminescence obtenue en appliquant des approches de réduction de dimensionnalité (DR) (ligne sarcelle) par rapport à une approche classique par essais et erreurs (ligne magenta) pour définir le paramètre thermométrique. La ligne noire est la température réelle du milieu dans lequel sont noyés les nanothermomètres luminescents. Crédit :Erving Ximendes
"Les approches de réduction de la dimensionnalité permettent d'exploiter tout le potentiel de la nanothermométrie par luminescence, garantissant que chaque fois que le nanothermomètre utilisé fonctionne selon les normes les plus élevées. Nous pouvons maintenant vraiment envisager d'utiliser la nanothermométrie luminescente pour surveiller les fluctuations de température auparavant insaisissables qui se produisent dans les systèmes biologiques et les corréler avec des événements physiologiques."
Les chercheurs ont ajouté qu'ils "sont convaincus que nous verrons une floraison d'exemples dans lesquels des approches mathématiques similaires sont utilisées pour minimiser la composante humaine et améliorer les performances des technologies de détection". Le nanothermomètre intracellulaire a une polyvalence sans précédent
