用于光學(xué)捕獲的光學(xué)裝置示意圖（a），帶有白血病細(xì)胞內(nèi)熒光納米金剛石（FND）的圖像（b）。圖片來源：Fatemeh Kalantarifard，丹麥技術(shù)大學(xué)

研究人員開發(fā)了一種新方法，通過使用光學(xué)捕獲的納米金剛石顆粒作為細(xì)胞內(nèi)傳感器來研究活細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)。使用定制的光學(xué)鑷子，研究小組在細(xì)胞存活時(shí)以低功率捕獲細(xì)胞內(nèi)的粒子。這項(xiàng)工作代表了量子傳感的重要進(jìn)步，它利用量子力學(xué)來分析原子水平的變化。

研究人員使用光鑷將納米金剛石顆粒捕獲在單個(gè)白血病細(xì)胞內(nèi)，然后演示如何使用這些顆粒來測(cè)量細(xì)胞內(nèi)的磁噪聲。

光學(xué)捕獲納米金剛石

熒光納米金剛石（FNDs）作為各種應(yīng)用的有前途的發(fā)射器和傳感器引起了人們的興趣。FND顯著的特性之一是通過量子傳感檢測(cè)物理參數(shù)，包括溫度和磁場(chǎng)。金剛石量子傳感基于金剛石中的順磁缺陷，即氮空位（NV）中心，它允許在納米尺度上讀取溫度和磁場(chǎng)相關(guān)的電子自旋。

近期，研究人員使用含有NV中心的熒光納米金剛石作為細(xì)胞內(nèi)傳感器。在會(huì)議上介紹的工作中，研究人員將FND的捕獲與基于自旋的光致發(fā)光測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，該技術(shù)在單個(gè)細(xì)胞中基于鉆石的傳感中很常見。FNDs首先由來自人類白血病細(xì)胞系的細(xì)胞內(nèi)吞，然后它們被近紅外激光（1064nm波長）以低功率捕獲，同時(shí)細(xì)胞保持活力。

納米級(jí)傳感

一旦納米金剛石在細(xì)胞內(nèi)和/或細(xì)胞表面就位，研究人員就會(huì)進(jìn)行T1弛豫測(cè)量以測(cè)試其傳感能力。該方法涉及打開和關(guān)閉綠色（532 nm波長）激光脈沖，該脈沖使NV中心的電子自旋偏振，然后讓它們恢復(fù)平衡。由于偏振構(gòu)型表現(xiàn)出比平衡態(tài)更強(qiáng)的熒光，研究人員通過光學(xué)監(jiān)測(cè)熒光強(qiáng)度水平來確定自旋弛豫速率。

由于周圍環(huán)境中的磁噪聲會(huì)影響自旋弛豫速率，因此比較位于不同位置的納米金剛石之間的自旋弛豫速率可以使研究人員繪制細(xì)胞內(nèi)的磁噪聲圖。該演示表明，光學(xué)捕獲的熒光納米金剛石可以代表一種準(zhǔn)確而靈活的方法來分析活細(xì)胞內(nèi)的磁場(chǎng)和溫度等特性。

“金剛石納米顆粒的光學(xué)捕獲和基于納米金剛石的量子傳感相結(jié)合，可以為研究細(xì)胞力學(xué)性能提供強(qiáng)大的工具。光學(xué)捕獲可以幫助保持基于納米金剛石的傳感器的高精度，從而可以在納米級(jí)上進(jìn)行更準(zhǔn)確的測(cè)量。特別是，光學(xué)捕獲納米金剛石的T1弛豫測(cè)量可用于細(xì)胞中的自由基檢測(cè)。

“自由基是高反應(yīng)性分子，會(huì)對(duì)細(xì)胞和組織造成損害。由于新陳代謝，它們?cè)隗w內(nèi)自然產(chǎn)生，也可以通過暴露于輻射或毒素等環(huán)境因素產(chǎn)生，“Kalantarifard說。

“使用光學(xué)捕獲的納米金剛石進(jìn)行自由基檢測(cè)具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括高靈敏度，非侵入性以及監(jiān)測(cè)T1弛豫時(shí)間實(shí)時(shí)變化的能力。該技術(shù)可用于研究氧化應(yīng)激對(duì)細(xì)胞的影響，并可能在癌癥和神經(jīng)退行性疾病等疾病的診斷和治療中具有潛在的應(yīng)用。