近日，北京量子資訊科學研究院原子系綜精密量測團隊助理研究員劉岩與來自德、法、俄等國科研機構的合作者，完成了基於納米金剛石矽空穴色心的活細胞螢光標記與傳感研究工作，成果以《Silicon-Vacancy Nanodiamonds as High Performance Near-Infrared Emitters for Live-Cell Dual-Color Imaging and Thermometry》為題，於2022年3月15日發表於《Nano Letters》。
金剛石除了人們熟知的裝潢寶石、工業鑽探切割等用途外，還以其光學高透明度及其光活性色心而在量子科技中受到青睞。金剛石矽空穴（Silicon Vacancy，SiV）色心即為其中一種具備優秀光學性質的色心。SiV色心由於具備D3d對稱性結構，其能級躍遷受聲子影響相對較小，表現為其螢光發射的70%以上集中於其零聲子線738 nm，室溫線寬小於5 nm。其他常見色心通常受聲子影響强烈，90%以上的螢光發射受聲子影響，室溫譜寬超過100 nm。
圖1含有SiV色心的納米金剛石用於活細胞成像與傳感示意
在生物探測研究領域，納米金剛石SiV色心由於其生物低毒、螢光發光穩定等優勢吸引了生命科學研究的注意，被用於活細胞內螢光標記，並進行各種生化過程研究、藥物機理研究等方面。且SiV色心線寬窄，易於將其螢光訊號從活細胞環境各型高分子產生的光雜訊中濾波和選取（如圖1所示），其738 nm的螢光波長，屬於近紅外波段，更有利於螢光訊號穿透細胞組織，適合於應用在較深層次的活體細胞組織的光學成像和探測。
圖2用於細胞內螢光標記的聚合物SiV納米金剛石製備流程
圖3（a）活體細胞內SiV納米金剛石螢光標記成像；（b）不同溫度下SiV色心零聲子線的光譜偏移；（c）上圖，對活體細胞內一顆納米金剛石的運動軌跡追跡，下圖，同時進行的螢光强度追跡顯示其較好的螢光穩定性。
本文報導了通過高溫高壓方法製備出含高濃度SiV色心的微米、納米金剛石顆粒，並通過研磨、酸洗、有機分子塗層等步驟，製備出適合於細胞內進行螢光標記的SiV納米金剛石（如圖2所示）。隨後，將SiV納米金剛石置於Hela細胞培養井中，通過共聚焦螢光顯微鏡，成功觀測到SiV納米金剛石被Hela細胞吸收；還實現了單個納米金剛石的細胞內運動軌跡追跡，並進行了零聲子線光譜追跡量測（如圖3所示）。研究表明，通過量測納米金剛石SiV色心的零聲子線的光譜頻移，可用於溫度傳感。在此項工作中，還發現通過變溫控制，處於水浴或細胞內環境中，不僅零聲子線會發生光譜頻移，其線寬也會出現一定的非線性展寬。
該項研究工作中，我院原子系綜精密量測團隊劉岩博士承擔了共聚焦螢光顯微鏡搭建工作，並進行了活細胞納米金剛石螢光標記後的螢光成像、運動軌跡追跡、零聲子譜線量測追跡等過程中的自動化量測設計、程式設計和實驗執行。另外，劉岩博士評述稱，納米金剛石還可用於分子藥物在細胞內作用機理研究，也可替代膠體金等發光材料進行體外疾病診斷應用，實現超高靈敏度核酸量測，有望實現流行病病毒的快速檢測以及重大疾病的早期篩查。
文章連結：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c00040