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自德、法、俄等國科研機構(gòu)的合作者，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，成果以“Silicon-Vacancy Nanodiamonds as High Performance Near-Infrared Emitters for Live-Cell Dual-Color Imaging and Thermometry” 為題，于2022年3月15日發(fā)表于《Nano Letters》。

       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)高透明度及其光活性色心而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738 nm，室溫線寬小于5 nm。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，室溫譜寬超過100 nm。

       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)勢吸引了生命科學(xué)研究的注意，被用于活細胞內(nèi)熒光標記，并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?。ㄈ鐖D1所示），其738 nm的熒光波長，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(yīng)用在較深層次的活體細胞組織的光學(xué)成像和探測。

       本文報道了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，制備出適合于細胞內(nèi)進行熒光標記的SiV納米金剛石（如圖2所示）。隨后，將SiV納米金剛石置于Hela細胞培養(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細胞吸收；還實現(xiàn)了單個納米金剛石的細胞內(nèi)運動軌跡追蹤，并進行了零聲子線光譜追蹤測量（如圖3所示）。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。在此項工作中，還發(fā)現(xiàn)通過變溫控制，處于水浴或細胞內(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。

       該項研究工作中，北京量子院原子系綜精密測量團隊劉巖博士承擔(dān)了共聚焦熒光顯微鏡搭建工作，并進行了活細胞納米金剛石熒光標記后的熒光成像、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。另外，劉巖博士評述稱，納米金剛石還可用于分子藥物在細胞內(nèi)作用機理研究，也可替代膠體金等發(fā)光材料進行體外疾病診斷應(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。

       文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c00040