中国科大苏州高等研究院医学影像智能与机器人研究中心(MIRACLE)石发展教授团队在金刚石氮-空位（NV）色心量子传感的生物学应用方面取得最新进展。团队研发了基于NV色心电荷态转换的光场成像技术，并在秀丽线虫（C. elegans）体内实现了对紧聚焦光场分布的纳米断层扫描成像。该技术具有低生物损伤、可抵抗生物组织背景荧光干扰的突出优势。相关成果以“Biocompatible Nanotomography of Tightly Focused Light”为题发表在《Nano Letters》上。
利用高数值孔径镜头将光束紧聚焦到其波长尺度，形成了光镊、超分辨成像等光学方法的技术基础，是研究亚细胞乃至分子结构的基本手段之一。然而生物组织中折射率、吸收率分布复杂，造成生物体内的光场畸变。在纳米尺度准确绘制紧聚焦光场分布的空间结构，对提升分辨率至关重要，几十年来一直吸引着人们的研究兴趣。目前常用的纳米光场探针如金属颗粒、纳米孔、介质颗粒、荧光分子、量子点等，往往存在光热效应严重、光稳定性差、光敏性弱、细胞毒性、与生物组织背景荧光难以区分等缺点。
图1 实验示意图。左：金刚石探针可以灵敏绘制出无散射条件下紧聚焦贝塞尔光束的双螺旋图样。
右：利用被吞食的金刚石探针绘制线虫体内的光场分布，双螺旋图样受线虫组织的散射影响而消失。
金刚石NV色心作为一种新型的量子探针，在微观磁场、温度、电场等方面展示了广阔的应用前景。纳米金刚石生物毒性极低，NV色心具有超高光稳定性，已经大量应用于生物体内信号的探测。NV色心通常具有两个电荷状态，荧光较强的NV-和荧光较弱的NV0。包括本小组前期工作 [Nature Communications 12, 1529 (2021)] 在内的系列研究表明，红外波段的激光可以使NV-和NV0的激发态发生电离，扰动NV两种电荷态的布居度，进而影响NV色心的荧光强度。本工作利用NV色心的这一性质，测量红外光带来的NV色心荧光扰动，推算NV处的红外光强度，并通过扫描红外光束实现对光场分布的三维纳米断层扫描成像。
生物组织中常含有内源性发光分子，形成荧光背景，干扰对光场的成像。本方法利用了NV色心的电荷态对红外光的特异性响应，因此可以很好地抵抗自发荧光背景。我们将被线虫吞食的金刚石纳米颗粒作为光场探针，实现了对线虫体内紧聚焦贝塞尔光场分布的成像。通常认为光子在生物组织中散射的平均自由程是100 μm，而本次工作观察到10 μm厚度的线虫组织就会带来较为明显的光场畸变，体现了NV色心对光场的高灵敏响应。
图2 滤除生物组织背景荧光干扰。左：线虫照片。中：普通共聚焦模式下，金刚石探针被线虫的背景荧光淹没。
右：采用红外光辅助的电荷调制法，可以将信号背景比提升超过一个量级。
该方法工作波长可覆盖620-1550 nm的范围，借助金刚石量子探针生物兼容、抗荧光背景及其高灵敏、高稳定性的优势，能够为超分辨成像、光镊等生物学技术提供原位在体的光场表征手段。
中国科大特任副研究员张琪、博士生殷俊为该文共同第一作者，杜江峰院士、石发展教授和林毅恒教授为共同通讯作者。参研单位有中国科大中科院微观磁共振重点实验室、中国科大苏州高等研究院和生物医学工程学院、西北工业大学、西安交通大学等。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和安徽省的资助。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03905
Azonano 网站报道：
https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=38745
