我国与国际科学家取得纳米金刚石生物量子传感研究进展

近日，北京量子信息科学研究院与德、法、俄等国科研人员，共同完成了基于纳米金刚石硅空穴色心的活细胞荧光标记与传感研究工作，相关成果发表在《纳米快报》(Nano Letters)。

含有SiV色心的纳米金刚石用于活细胞成像与传感示意，图片来自论文

金刚石除了人们熟知的装饰宝石、工业钻探切割等用途外，还以其光学高透明度和光活性色心在量子科技中受到青睐。金刚石硅空穴(Silicon Vacancy, SiV)色心即为其中一种具备优秀光学性质的色心。SiV色心由于具备D3d对称性结构，其能级跃迁受声子影响相对较小，表现为其荧光发射的70%以上集中于其零声子线(ZPL)738纳米，室温线宽小于5纳米。其他常见色心通常受声子影响强烈，90%以上的荧光发射受声子影响，室温谱宽超100纳米。

在生物探测研究领域，纳米金刚石SiV色心由于其生物低毒、荧光发光稳定等优势，被用于活细胞内荧光标记，以及进行各种生化过程研究、药物机理研究。并且SiV色心线宽窄，易于将其荧光信号，从活细胞环境各型高分子产生的光噪声中滤波和提取，其738纳米的荧光波长属于近红外波段，更有利于荧光信号穿透细胞组织，适合于应用在较深层次的活体细胞组织的光学成像和探测。

此次，北京量子信息科学研究院原子系综精密测量团队助理研究员刘岩与来自德、法、俄等国科研机构人员，通过高温高压方法制备出含高浓度SiV色心的微米、纳米金刚石颗粒，并通过研磨、酸洗、有机分子涂层等步骤，制备出适合于细胞内进行荧光标记的SiV纳米金刚石。随后，将SiV纳米金刚石置于Hela细胞（即海拉细胞，不同于其他一般人类细胞，此细胞株可以无限分裂）培养井中，通过共聚焦荧光显微镜，成功观测到SiV纳米金刚石被Hela细胞吸收。团队还实现了单个纳米金刚石的细胞内运动轨迹追踪，并进行了零声子线光谱追踪测量。

用于细胞内荧光标记的聚合物SiV纳米金刚石制备流程，图片来自论文

研究表明，通过测量纳米金刚石SiV色心的零声子线的光谱频移，可用于温度传感。研究还发现通过变温控制，处于水浴或细胞内环境中，不仅零声子线会发生光谱频移，其线宽也会出现一定的非线性展宽。

刘岩表示，纳米金刚石还可用于分子药物在细胞内作用机理研究，也可替代胶体金等发光材料进行体外疾病诊断应用，实现超高灵敏度核酸测量，有望实现流行病病毒的快速检测以及重大疾病的早期筛查。

前述研究中，刘岩负责共聚焦荧光显微镜搭建工作，并进行活细胞纳米金刚石荧光标记后的荧光成像、运动轨迹追踪、零声子谱线测量追踪等过程中的自动化测量设计、编程和实验执行。

(a)活体细胞内SiV纳米金刚石荧光标记成像；(b)不同温度下SiV色心零声子线的光谱偏移；(c)上图：对活体细胞内一颗纳米金刚石的运动轨迹追踪，下图：同时进行的荧光强度追踪显示其较好的荧光稳定性，图片来自论文

关键词： 研究进展