研究人员使用微小钻石制造细胞内传感器

研究人员通过使用光学捕获的纳米金刚石颗粒作为细胞内传感器，开发了一种研究活细胞内复杂动力学的新方法。使用定制的光学镊子，研究小组在细胞存活时以低功率将粒子捕获在细胞内。这项工作代表了量子传感的重要进步，它利用量子力学来分析原子水平的变化。

研究人员使用光学镊子将纳米金刚石颗粒捕获在单个白血病细胞内，然后展示了如何使用这些颗粒来测量细胞内的磁噪声。来自丹麦技术大学的 Fatemeh Kalantarifard 将在2023 年 4 月 23 日至 27 日在不列颠哥伦比亚省温哥华举行的Optica 生物光子学大会上详细介绍在线会议上的工作。Kalantarifard 的演讲定于 4 月 24 日星期一 15:00-15:15 PDT(UTC) – 07:00)。

光学捕获的纳米金刚石荧光

纳米金刚石 (FND) 作为用于各种应用的有前途的发射器和传感器引起了人们的兴趣。FND 最显着的特性之一是通过量子传感检测物理参数，包括温度和磁场。金刚石量子传感基于金刚石中的顺磁缺陷，即氮空位 (NV) 中心，它允许在纳米尺度上读出温度和磁场相关的电子自旋。

最近，研究人员使用含有 NV 中心的荧光纳米金刚石作为细胞内传感器。在会议上展示的工作中，研究人员将 FND 的捕获与单细胞中金刚石传感中常见的基于自旋的光致发光测量技术相结合。FND 首先被来自人类白血病细胞系的细胞内吞，然后在细胞保持存活的情况下，它们被低功率的近红外激光(1064 nm 波长)捕获。

纳米级传感

一旦纳米金刚石在细胞内和/或细胞表面就位，研究人员就进行了 T1 弛豫测量以测试它们的传感能力。该方法涉及打开和关闭绿色(532 nm 波长)激光脉冲，该脉冲使 NV 中心的电子自旋极化，然后让它们恢复平衡。由于偏振配置表现出比平衡状态更强的荧光，研究人员通过光学监测荧光强度水平来确定自旋弛豫率。

由于周围环境中的磁噪声会影响自旋弛豫率，比较位于不同位置的纳米金刚石之间的自旋弛豫率可以让研究人员绘制细胞内的磁噪声图。该演示表明，光学捕获的荧光纳米金刚石可以代表一种精确而灵活的方法来分析活细胞内的磁场和温度等特性。

“金刚石纳米粒子的光学捕获和基于纳米金刚石的量子传感的结合可以为研究细胞机械特性提供强大的工具。光学捕获可以帮助高精度地保持基于纳米金刚石的传感器，从而可以在纳米级进行更准确的测量。特别是，光学捕获的纳米金刚石的 T1 弛豫测量可用于细胞中的自由基检测。自由基是高反应性分子，可对细胞和组织造成损害。它们是由于新陈代谢而在体内自然产生的，也可以通过暴露于辐射或毒素等环境因素而产生，”Kalantarifard 说。“使用光学捕获的纳米金刚石进行自由基检测具有多种优势，包括高灵敏度、非侵入性、以及监测 T1 弛豫时间实时变化的能力。该技术可用于研究氧化应激对细胞的影响，并可能在癌症和神经退行性疾病等疾病的诊断和治疗中具有潜在应用。”