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(xì)胞熒光標(biāo)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(xì)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(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對稱性結(jié)構(gòu)，其能級躍遷受聲子影響相對較小，表現(xiàn)為其熒光發(fā)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(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(wěn)定等優(yōu)勢，被用于活細(xì)胞內(nèi)熒光標(biāo)記，以及進(jìn)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(xì)胞環(huán)境各型高分子產(chǎn)生的光噪聲中濾波和提取，其738納米的熒光波長屬于近紅外波段，更有利于熒光信號穿透細(xì)胞組織，適合于應(yīng)用在較深層次的活體細(xì)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(tuán)隊助理研究員劉巖與來自德、法、俄等國科研機構(gòu)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(xì)胞內(nèi)進(jìn)行熒光標(biāo)記的SiV納米金剛石。隨后，將SiV納米金剛石置于Hela細(xì)胞（即海拉細(xì)胞，不同于其他一般人類細(xì)胞，此細(xì)胞株可以無限分裂）培養(yǎng)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(xì)胞吸收。團(tuán)隊還實現(xiàn)了單個納米金剛石的細(xì)胞內(nèi)運動軌跡追蹤，并進(jìn)行了零聲子線光譜追蹤測量。

 用于細(xì)胞內(nèi)熒光標(biāo)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(fā)現(xiàn)通過變溫控制，處于水浴或細(xì)胞內(nèi)環(huán)境中，不僅零聲子線會發(fā)生光譜頻移，其線寬也會出現(xiàn)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(xì)胞內(nèi)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(yīng)用，實現(xiàn)超高靈敏度核酸測量，有望實現(xiàn)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(fù)責(zé)共聚焦熒光顯微鏡搭建工作，并進(jìn)行活細(xì)胞納米金剛石熒光標(biāo)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(shè)計、編程和實驗執(zhí)行。

(a)活體細(xì)胞內(nèi)SiV納米金剛石熒光標(biāo)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(xì)胞內(nèi)一顆納米金剛石的運動軌跡追蹤，下圖：同時進(jìn)行的熒光強度追蹤顯示其較好的熒光穩(wěn)定性，圖片來自論文