“當前從我們組孵化出來初創(chuàng)公司 Quanta Diamond Techchnologies，正在對實驗樣品進行商品化，以期讓更多人獲取這種高品質(zhì)的納米金剛石顆粒樣品?！毕愀鄞髮W(xué)電機電子工程系褚智勤教授表示。

圖 | （從左至右）香港大學(xué)機械工程系林原教授和香港大學(xué)電機電子工程系褚智勤教授（來源：資料圖）

       近日，他和香港大學(xué)機械工程系林原教授合作完成了一項新成果：通過激發(fā)光的線偏振調(diào)制，實現(xiàn)對納米金剛石旋轉(zhuǎn)運動的監(jiān)測。
       金剛石，即常見的鉆石的原身。最近十年來，金剛石中的一種類原子缺陷——氮空位色心（NV center）備受關(guān)注。
       而在應(yīng)用潛力上，該團隊希望通過進一步完善基于氮空位缺陷色心的新型線偏振調(diào)制方法，讓其真正用于三維環(huán)境細胞矢量力檢測、納米馬達運動檢測、和高分辨生物成像等領(lǐng)域。

（來源：Nano Letters）

       可以說，該工作基于氮空位缺陷色心領(lǐng)域已知的偏振性質(zhì)，為多維度細胞力測量提供了全新的解決思路。
       當?shù)瘴蝗毕萆姆謩e處于有細胞力和無細胞力兩個狀態(tài)時，研究人員對納米金剛石顆粒的位置和朝向進行比較，證明了如下規(guī)律：在細胞的粘附和移動中，力矩起著核心作用。
       在審稿過程中，該論文還收獲了如下評價：作者使用線偏振調(diào)制方法，實現(xiàn)了金剛石納米顆粒旋轉(zhuǎn)和平移的高精度測量，為研究細胞和納米材料的相互作用提供了全新思路。
       同時，該方法還能實現(xiàn)對背景熒光信號的抑制，從而提升納米金剛石顆粒中、氮空位缺陷色心的定位精度。

（來源：Nano Letters）

       在復(fù)雜生理環(huán)境下，捕捉不易觀察的細胞牽拉力引起的多維運動

       據(jù)介紹在生物體內(nèi)，細胞是實現(xiàn)器官功能、感受環(huán)境刺激、并做出反應(yīng)的最小功能單位。細胞與微環(huán)境之間，一直存在各種動態(tài)物理反應(yīng)和生化反應(yīng)。

       該團隊的前期工作，一直在研究細胞與微環(huán)境之間的力學(xué)關(guān)系，包括微環(huán)境的力學(xué)信號如何被細胞感知、如何傳導(dǎo)到細胞內(nèi)部、以及如何影響下游的基因和蛋白表達等。

       而此次研究目標的實現(xiàn)，其核心需求之一在于使用專業(yè)且精密的測量工具，去捕獲細胞力造成的基底的微小形變。
       尤其是細胞，其時刻生存于一個復(fù)雜、動態(tài)的環(huán)境里，力的方向和大小都在不停變化，這給高精密細胞力學(xué)測量工具的研發(fā)提出了極高要求。
       之前，主流的細胞力測量方案，大多只能測量標記物平移信息，無法給出標記物旋轉(zhuǎn)運動信息，這讓人們在分析細胞與微環(huán)境力學(xué)作用時，缺少了一個維度的力學(xué)信息。
而此次提出的基于氮空位缺陷色心的線偏振調(diào)制方法，為上述難題提供了初步解決方案。另外，該方法還能在復(fù)雜生理環(huán)境下，提高金剛石的信噪比，從而捕捉更高精度的標記物平移信息。

（來源：Nano Letters）

       為研究細胞牽拉力引起的多維運動提供新角度

       一般說來，除了個別基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移的分子檢測手段，可以直接測量細胞力的大小之外。通用的細胞力檢測方法，往往是借助標記物來追蹤細胞力造成的基底形變，來定量細胞力大小。
       常用的追蹤標記物一般是納米熒光球、或彈性微柱陣列，而這種標記物只能提供基底形變造成的平移信息，無法提供其旋轉(zhuǎn)運動信息，原因在于標記物自身無法提供朝向信息。
       由于一直缺乏簡單好用的測量技術(shù)，這部分力學(xué)信息也一直被人為“主動”忽略掉。

（來源：Nano Letters）

       而在本工作中，課題組巧妙利用了單個氮空位缺陷色心軸向、線偏振光偏振方向、與其熒光強度的對應(yīng)關(guān)系。
       研究者使用這種含有單個氮空位缺陷的金剛石納米顆粒替代傳統(tǒng)的熒光小球，從而通過激光共聚焦熒光顯微鏡，實現(xiàn)了對樣品平面內(nèi)金剛石納米顆粒的旋轉(zhuǎn)運動追蹤。
利用此技術(shù)，該團隊發(fā)現(xiàn)在細胞黏著斑鄰近區(qū)域存在著微力矩，從而為細胞牽拉力的研究提供了新角度。
       其中，線偏振調(diào)制方法的原理在于，金剛石中的氮空位缺陷色心，具有光學(xué)偏振的選擇激發(fā)特性。簡單來說，當線偏振激發(fā)光的偏振方向改變時，氮空位缺陷色心的熒光強度會隨之改變。
       研究中，課題組選用帶有單個氮空位缺陷色心的高質(zhì)量納米金剛石顆粒作為探測樣品，并在激發(fā)光路中進行簡單的改動——加入裝有半波片的電動旋轉(zhuǎn)臺，從而實現(xiàn)了線偏振調(diào)制。
       一方面，通過測量線偏振調(diào)制曲線，能提取出氮空位缺陷色心在樣品平面內(nèi)投影的朝向。
       另一方面，通過對線偏振調(diào)制過程中，氮空位缺陷色心熒光強度的最大值和最小值進行作差，課題組實現(xiàn)了去背景成像，從而對氮空位缺陷色心在樣品平面內(nèi)的位置，進行更精確的定位。
       因此，當他們把含有氮空位缺陷色心的納米金剛石，修飾在彈性基底的表面，就可以同時監(jiān)測平面內(nèi)納米金剛石的旋轉(zhuǎn)和平移運動，從而反映細胞牽引力引起的基底微小形變。

（來源：Nano Letters）

       近日，相關(guān)論文以《納米金剛石中單個缺陷的全光學(xué)調(diào)制：揭示細胞牽引力場中的旋轉(zhuǎn)和平移運動》（All-Optical Modulation of Single Defects in Nanodiamonds: Revealing Rotational and Translational Motions in Cell Traction Force Fields）為題發(fā)表在 Nano Letters 上（IF 12.26），并被選為當期封面（Supplementary Cover）。博士生王凌志和博后侯勇?lián)喂餐谝蛔髡?，林原和褚智勤?dān)任共同通訊作者。[1]

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nano Letters）

       納米金剛石和生物醫(yī)學(xué)的“碰撞”

       據(jù)介紹，褚智勤課題組當前最主要的研究方向，在于探索金剛石中氮空位缺陷色心在量子傳感和探測上的應(yīng)用，特別是生物醫(yī)學(xué)方向的應(yīng)用。

       最開始，他和團隊在想：能否通過一些實驗手段，來簡化基于氮空位缺陷自旋的一整套量子傳感探測方案，從而讓技術(shù)更具普適性？

       特別是，傳統(tǒng)的量子傳感探測方案必須得把微波加到金剛石納米顆粒樣品上，所以可能會對一些生物系統(tǒng)比如細胞，產(chǎn)生不可預(yù)期的擾動。
       在初期探索階段，該團隊了解到基于氮空位缺陷色心的光學(xué)偏振選擇激發(fā)性質(zhì)，能實現(xiàn)熒光強度調(diào)制的特性。
       基于此，他們原本打算提出一種新型的去背景成像技術(shù)、或是超分辨技術(shù)，旨在擴展現(xiàn)有技術(shù)。
       而在前行中，研究目標也經(jīng)歷了三次迭代升級。
       第一次升級，該團隊在文獻調(diào)研中發(fā)現(xiàn)在生物應(yīng)用中，氮空位缺陷色心的特質(zhì)具有特別的優(yōu)勢。
       一方面，相比于其他單光子源，含有單個氮空位缺陷色心的納米金剛石顆粒，具有發(fā)光強且穩(wěn)定、生物兼容性好、適合做表面化學(xué)修飾等優(yōu)點。另一方面，偏振調(diào)制方法的實現(xiàn)是基于全光學(xué)調(diào)制的，因此對生物樣品的干擾很小。
       為此，他們把研究目的改為擴展生物領(lǐng)域的去背景成像技術(shù)、或者超分辨技術(shù)。
       第二次升級，是因為課題組在實驗中發(fā)現(xiàn)，單個氮空位缺陷色心的線性偏振調(diào)制曲線數(shù)據(jù)，具有很好的可重復(fù)性和周期性。
       這表明，對于氮空位缺陷色心的朝向，偏振曲線能做出精確的表征。同時，進一步的文獻調(diào)研顯示，目前在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，能對納米尺度物體的旋轉(zhuǎn)運動進行測量的技術(shù)非常少。因此，他們又把研究重心轉(zhuǎn)移到旋轉(zhuǎn)運動測量。
       第三次升級中，基于此前對細胞與培養(yǎng)基基底相互作用的研究，他們最終確定了“在細胞牽引力領(lǐng)域中測量基底的旋轉(zhuǎn)運動”這一核心探索方向。

（來源：Nano Letters）

       下一步“小目標”：從單個氮空位缺陷色心，拓展到多個色心

       而完成研究的重要前提在于，要具備含有單個氮空位缺陷色心的高質(zhì)量金剛石納米顆粒樣品，否則會“寸步難行”。
       恰好在前不久，他們剛在納米金剛石顆粒樣品方面取得突破 [2]， 這讓其得以在顯微鏡視野下，輕松找到擁有單個色心的高品質(zhì)納米金剛石顆粒樣品。這極大提升了實驗成功率，也提高了成果轉(zhuǎn)化的潛力。
       據(jù)悉，納米尺度下的高精度顯微測量工作，一直是個挑戰(zhàn)性難題。而在單細胞層面做研究，更是增加了實驗難度。
       對此，褚智勤表示：“本項目的主要完成人王凌志（博士生）和侯勇（博士后）、以及其他成員，對相關(guān)測量細節(jié)把握得非常到位。并且他們不驕不躁，在項目陷入焦灼時仍能保持熱情，這些都是項目順利完成的關(guān)鍵因素?！?br/>       同時課題組認為，氮空位缺陷色心的偏振應(yīng)用，還有很多待挖掘內(nèi)容。一方面，偏振性質(zhì)雖然在很多單光子源中都很常見，比如金納米棒、量子棒、熒光分子等。
       如前所述，含氮空位缺陷色心的納米金剛石顆粒，當其作為發(fā)光源時具有著諸多優(yōu)秀特質(zhì)。
       因此，相比于其他發(fā)光源的偏振性質(zhì)，納米金剛石顆粒中氮空位缺陷色心的偏振性質(zhì)，具備更大的應(yīng)用潛力。
       另一方面，氮空位缺陷色心的獨特性質(zhì)在于：可在常溫下通過電子自旋共振譜線，實現(xiàn)量子傳感與探測。
       鑒于這一突出性質(zhì)的吸引力，也促使業(yè)內(nèi)學(xué)者“前赴后繼”地開展基于氮空位缺陷色心偏振的應(yīng)用探索。
       該團隊也認為，如果進一步開發(fā)、并結(jié)合兩種手段，或能實現(xiàn)更多、以及更好的組合探測方案。
       但是，在當前階段，課題組清楚地認識到，實驗方案可能仍有兩點不足：
       其一，由于使用激光共聚焦熒光顯微鏡系統(tǒng)，所以每次只能測量單個納米金剛石顆粒的旋轉(zhuǎn)和平移運動。
       但是，要想完整地表征細胞牽拉力的信息，往往需要同時測量多個不同位置的納米金剛石顆粒的運動。
       其二，在一些復(fù)雜的生物場景中，因為背景信號很高，而單個氮空位缺陷色心的熒光強度不足，所以會給實驗帶來困難。
       下階段，該團隊打算使用寬場熒光顯微鏡，來實現(xiàn)對多個納米金剛石顆粒的同時監(jiān)測。并將使用含有大量色心的納米金剛石顆粒，來解決“單個氮空位缺陷色心熒光強度可能不足”的問題。待技術(shù)升級之后，其打算沿著細胞牽引力的方向繼續(xù)深入探索。
參考資料：1.Wang, L., Hou, Y., Zhang, T., Wei, X., Zhou, Y., Lei, D., ... & Chu, Z. (2022). All-Optical Modulation of Single Defects in Nanodiamonds: Revealing Rotational and Translational Motions inCell Traction Force Fields. Nano Letters.2.ACS Applied Nano Mat. 4, 9223-9230 （2021）; PCT/CN2021/125267.