中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，北京量子信息科學(xué)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(guān)成果發(fā)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
金剛石除了人們熟知的裝飾寶石、工業(yè)鉆探切割等用途外，還以其光學(xué)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(yōu)秀光學(xué)性質(zhì)的色心。SiV色心由于具備D3d對稱(chēng)性結構，其能級躍遷受聲子影響相對較小，表現為其熒光發(fā)射的70%以上集中于其零聲子線(xiàn)（ZPL）738納米，室溫線(xiàn)寬小于5納米。其他常見(jiàn)色心通常受聲子影響強烈，90%以上的熒光發(fā)射受聲子影響，室溫譜寬超100納米。
在生物探測研究領(lǐng)域，納米金剛石SiV色心由于其生物低毒、熒光發(fā)光穩定等優(yōu)勢，被用于活細胞內熒光標記，以及進(jìn)行各種生化過(guò)程研究、藥物機理研究。并且SiV色心線(xiàn)寬窄，易于將其熒光信號，從活細胞環(huán)境各型高分子產(chǎn)生的光噪聲中濾波和提取，其738納米的熒光波長(cháng)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(xué)成像和探測。
此次，北京量子信息科學(xué)研究院原子系綜精密測量團隊助理研究員劉巖與來(lái)自德、法、俄等國科研機構人員，通過(guò)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(guò)研磨、酸洗、有機分子涂層等步驟，制備出適合于細胞內進(jìn)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(lèi)細胞，此細胞株可以無(wú)限分裂）培養井中，通過(guò)共聚焦熒光顯微鏡，成功觀(guān)測到SiV納米金剛石被Hela細胞吸收。團隊還實(shí)現了單個(gè)納米金剛石的細胞內運動(dòng)軌跡追蹤，并進(jìn)行了零聲子線(xiàn)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
研究表明，通過(guò)測量納米金剛石SiV色心的零聲子線(xiàn)的光譜頻移，可用于溫度傳感。研究還發(fā)現通過(guò)變溫控制，處于水浴或細胞內環(huán)境中，不僅零聲子線(xiàn)會(huì )發(fā)生光譜頻移，其線(xiàn)寬也會(huì )出現一定的非線(xiàn)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(fā)光材料進(jìn)行體外疾病診斷應用，實(shí)現超高靈敏度核酸測量，有望實(shí)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(jìn)行活細胞納米金剛石熒光標記后的熒光成像、運動(dòng)軌跡追蹤、零聲子譜線(xiàn)測量追蹤等過(guò)程中的自動(dòng)化測量設計、編程和實(shí)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(xiàn)的光譜偏移；
(c)上圖：對活體細胞內一顆納米金剛石的運動(dòng)軌跡追蹤，
下圖：同時(shí)進(jìn)行的熒光強度追蹤顯示其較好的熒光穩定性
