我國與國際科學家取得納米金剛石生物量子傳感研究進展

近日，北京量子信息科學研究院與德、法、俄等國科研人員，共同完成了基于納米金剛石硅空穴色心的活細胞熒光標記與傳感研究工作，相關成果發表在《納米快報》(Nano Letters)。

含有SiV色心的納米金剛石用于活細胞成像與傳感示意，圖片來自論文

金剛石除了人們熟知的裝飾寶石、工業鉆探切割等用途外，還以其光學高透明度和光活性色心在量子科技中受到青睞。金剛石硅空穴(Silicon Vacancy, SiV)色心即為其中一種具備優秀光學性質的色心。SiV色心由于具備D3d對稱性結構，其能級躍遷受聲子影響相對較小，表現為其熒光發射的70%以上集中于其零聲子線(ZPL)738納米，室溫線寬小于5納米。其他常見色心通常受聲子影響強烈，90%以上的熒光發射受聲子影響，室溫譜寬超100納米。

在生物探測研究領域，納米金剛石SiV色心由于其生物低毒、熒光發光穩定等優勢，被用于活細胞內熒光標記，以及進行各種生化過程研究、藥物機理研究。并且SiV色心線寬窄，易于將其熒光信號，從活細胞環境各型高分子產生的光噪聲中濾波和提取，其738納米的熒光波長屬于近紅外波段，更有利于熒光信號穿透細胞組織，適合于應用在較深層次的活體細胞組織的光學成像和探測。

此次，北京量子信息科學研究院原子系綜精密測量團隊助理研究員劉巖與來自德、法、俄等國科研機構人員，通過高溫高壓方法制備出含高濃度SiV色心的微米、納米金剛石顆粒，并通過研磨、酸洗、有機分子涂層等步驟，制備出適合于細胞內進行熒光標記的SiV納米金剛石。隨后，將SiV納米金剛石置于Hela細胞（即海拉細胞，不同于其他一般人類細胞，此細胞株可以無限分裂）培養井中，通過共聚焦熒光顯微鏡，成功觀測到SiV納米金剛石被Hela細胞吸收。團隊還實現了單個納米金剛石的細胞內運動軌跡追蹤，并進行了零聲子線光譜追蹤測量。

用于細胞內熒光標記的聚合物SiV納米金剛石制備流程，圖片來自論文

研究表明，通過測量納米金剛石SiV色心的零聲子線的光譜頻移，可用于溫度傳感。研究還發現通過變溫控制，處于水浴或細胞內環境中，不僅零聲子線會發生光譜頻移，其線寬也會出現一定的非線性展寬。

劉巖表示，納米金剛石還可用于分子藥物在細胞內作用機理研究，也可替代膠體金等發光材料進行體外疾病診斷應用，實現超高靈敏度核酸測量，有望實現流行病病毒的快速檢測以及重大疾病的早期篩查。

前述研究中，劉巖負責共聚焦熒光顯微鏡搭建工作，并進行活細胞納米金剛石熒光標記后的熒光成像、運動軌跡追蹤、零聲子譜線測量追蹤等過程中的自動化測量設計、編程和實驗執行。

(a)活體細胞內SiV納米金剛石熒光標記成像；(b)不同溫度下SiV色心零聲子線的光譜偏移；(c)上圖：對活體細胞內一顆納米金剛石的運動軌跡追蹤，下圖：同時進行的熒光強度追蹤顯示其較好的熒光穩定性，圖片來自論文

關鍵詞： 研究進展