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

研究人員開發(fā)了一種新方法，通過使用光學捕獲的納米金剛石顆粒作為細胞內(nèi)傳感器來研究活細胞內(nèi)復雜的動力學。使用定制的光學鑷子，研究小組在細胞存活時以低功率捕獲細胞內(nèi)的粒子。這項工作代表了量子傳感的重要進步，它利用量子力學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白血病細胞內(nèi)，然后演示如何使用這些顆粒來測量細胞內(nèi)的磁噪聲。

光學捕獲納米金剛石

熒光納米金剛石（FNDs）作為各種應用的有前途的發(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物理參數(shù)，包括溫度和磁場。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相關的電子自旋。

近期，研究人員使用含有NV中心的熒光納米金剛石作為細胞內(nèi)傳感器。在會議上介紹的工作中，研究人員將FND的捕獲與基于自旋的光致發(fā)光測量技術相結(jié)合，該技術在單個細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胞系的細胞內(nèi)吞，然后它們被近紅外激光（1064nm波長）以低功率捕獲，同時細胞保持活力。

納米級傳感

一旦納米金剛石在細胞內(nèi)和/或細胞表面就位，研究人員就會進行T1弛豫測量以測試其傳感能力。該方法涉及打開和關閉綠色（532 nm波長）激光脈沖，該脈沖使NV中心的電子自旋偏振，然后讓它們恢復平衡。由于偏振構型表現(xiàn)出比平衡態(tài)更強的熒光，研究人員通過光學監(jiān)測熒光強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胞內(nèi)的磁噪聲圖。該演示表明，光學捕獲的熒光納米金剛石可以代表一種準確而靈活的方法來分析活細胞內(nèi)的磁場和溫度等特性。

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

“自由基是高反應性分子，會對細胞和組織造成損害。由于新陳代謝，它們在體內(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。

“使用光學捕獲的納米金剛石進行自由基檢測具有幾個優(yōu)點，包括高靈敏度，非侵入性以及監(jiān)測T1弛豫時間實時變化的能力。該技術可用于研究氧化應激對細胞的影響，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用。