发光纳米温度计的尺寸比细菌和人类细胞小得多，因此可以测量这种小生物体的温度。另一方面，经典温度计要大得多，并且不能以足够的空间分辨率监测生物微环境中的温度，并且不会严重干扰探测的物种。图片来源：Erving Ximendes

温度和热交换是整个自然界生物过程的基础。其中一些生物过程与温度变化有关，大约在几度甚至低于0.1摄氏度。例如，在爬行动物中，卵孵化温度的差异小于一度决定了新生儿的性别。人体也不例外：高于基础水平的小幅温度升高可能会改变细胞动力学或诱导肿瘤基质的分解，并且在癫痫发作期间，脑温会发生小数点的变化。为了可靠地监测这些过程，需要将研究系统扰动最小且温度精度低于0.1摄氏度的方法。

为此，在发表在《光：科学与应用》（Light： Science & Applications）上的一项新研究中，来自西班牙和葡萄牙的一组科学家破解了使用发光纳米温度计提高热读数精度的代码。这些是纳米材料，其光学性质对温度变化敏感，它们可以插入生物（微）环境中，作为温度纳米探针，直至单细胞水平。由于尺寸减小，它们符合探测系统最小扰动的先决条件。但是，当在水性环境中工作时，温度的读数精度一般在0.1摄氏度以上。

为了校准发光纳米温度计，纳米材料的光学性质的变化与周围环境温度的变化在定量上相关。该校准通过选择合适的温度参数和获取校准数据集，这意味着纳米温度计的光致发光（光子吸收后是光子发射）被记录为一组温度的函数。通过使用统称为降维的大数据分析方法，研究人员已经证明，可以自动选择温度参数，从而最大限度地提高温度测量方法的精度。

（a） 发光纳米温度计是一种光致发光纳米粒子，能够以光的形式吸收和重新发射能量（波浪形箭头描绘光子）。（b） 为了校准发光纳米温度计，应记录其在不同温度下的光致发光。（c） 通常，随后选择一个温度参数，如发射光谱的最大（λ）或综合强度（I）的位置，并将其与收集每个光谱的温度值对应起来。图片来源：Erving Ximendes

“发光纳米温度计的校准曾经需要一种繁琐的试错方法，其中不同的温度参数（如颜色和强度变化）被独立测试。而且，虽然最终选择的参数是调查中最好的，但不能保证它是最好的。通过我们提出的方法，人们可以轻松插入校准数据集，并且您会自动获得纳米温度计所能提供的最高精度，“科学家说。

“为了实现这一结果，我们采用了数学方法，这些方法是我们社会中迅速成为主流的技术的基础，例如面部和语音识别以及降噪设备。这些降维方法是强大的算法，能够识别一类对象最有意义的特征，并忽略总体上不太有意义的较小细节。例如，这种算法训练能够识别物体。

（a） 采用降维方法（在本例中为线性变换，如主成分分析）导致定义新的坐标空间，其中温度变化更容易量化。（b） 与经典的试错法（洋红色线）相比，采用降维（DR）方法（蓝绿色线）来定义温度参数，提高了发光纳米温度测量的精度。黑线是嵌入发光纳米温度计的介质的真实温度。图片来源：Erving Ximendes

“降维方法可以挖掘发光纳米测温的全部潜力，确保每次使用的纳米温度计都以最高标准工作。我们现在真的可以考虑使用发光纳米温度测量来监测生物系统中以前难以捉摸的温度波动，并将其与生理事件相关联。

研究人员补充说，他们“相信我们将看到大量的例子，其中采用类似的数学方法来最大限度地减少人体成分并提高传感技术的性能。

更多信息：Erving Ximendes等人，少即是多：降维作为更精确的发光测温的一般策略，光：科学与应用（2022）。DOI： 10.1038/s41377-022-00932-3

期刊信息：Light： Science & Applications