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麻省理工科技评论-将“恒久远的钻石”用于生物医学？港大团队利用纳米钻石颗粒，为研究细胞和材料的力学相互作用提供新思路
“当前从我们组孵化出来初创公司 Quanta Diamond Techchnologies，正在对实验样品进行商品化，以期让更多人获取这种高品质的纳米金刚石颗粒样品。”香港大学电机电子工程系褚智勤教授表示。
近日，他和香港大学机械工程系林原教授合作完成了一项新成果：通过激发光的线偏振调制，实现对纳米金刚石旋转运动的监测。
金刚石，即常见的钻石的原身。最近十年来，金刚石中的一种类原子缺陷——氮空位色心（NV center）备受关注。
而在应用潜力上，该团队希望通过进一步完善基于氮空位缺陷色心的新型线偏振调制方法，让其真正用于三维环境细胞矢量力检测、纳米马达运动检测、和高分辨生物成像等领域。
可以说，该工作基于氮空位缺陷色心领域已知的偏振性质，为多维度细胞力测量提供了全新的解决思路。
当氮空位缺陷色心分别处于有细胞力和无细胞力两个状态时，研究人员对纳米金刚石颗粒的位置和朝向进行比较，证明了如下规律：在细胞的粘附和移动中，力矩起着核心作用。
在审稿过程中，该论文还收获了如下评价：作者使用线偏振调制方法，实现了金刚石纳米颗粒旋转和平移的高精度测量，为研究细胞和纳米材料的相互作用提供了全新思路。
同时，该方法还能实现对背景荧光信号的抑制，从而提升纳米金刚石颗粒中、氮空位缺陷色心的定位精度。
在复杂生理环境下，捕捉不易观察的细胞牵拉力引起的多维运动
据介绍在生物体内，细胞是实现器官功能、感受环境刺激、并做出反应的最小功能单位。细胞与微环境之间，一直存在各种动态物理反应和生化反应。
该团队的前期工作，一直在研究细胞与微环境之间的力学关系，包括微环境的力学信号如何被细胞感知、如何传导到细胞内部、以及如何影响下游的基因和蛋白表达等。
而此次研究目标的实现，其核心需求之一在于使用专业且精密的测量工具，去捕获细胞力造成的基底的微小形变。
尤其是细胞，其时刻生存于一个复杂、动态的环境里，力的方向和大小都在不停变化，这给高精密细胞力学测量工具的研发提出了极高要求。
之前，主流的细胞力测量方案，大多只能测量标记物平移信息，无法给出标记物旋转运动信息，这让人们在分析细胞与微环境力学作用时，缺少了一个维度的力学信息。
而此次提出的基于氮空位缺陷色心的线偏振调制方法，为上述难题提供了初步解决方案。另外，该方法还能在复杂生理环境下，提高金刚石的信噪比，从而捕捉更高精度的标记物平移信息。
为研究细胞牵拉力引起的多维运动提供新角度
一般说来，除了个别基于荧光共振能量转移的分子检测手段，可以直接测量细胞力的大小之外。通用的细胞力检测方法，往往是借助标记物来追踪细胞力造成的基底形变，来定量细胞力大小。
常用的追踪标记物一般是纳米荧光球、或弹性微柱阵列，而这种标记物只能提供基底形变造成的平移信息，无法提供其旋转运动信息，原因在于标记物自身无法提供朝向信息。
由于一直缺乏简单好用的测量技术，这部分力学信息也一直被人为“主动”忽略掉。
而在本工作中，课题组巧妙利用了单个氮空位缺陷色心轴向、线偏振光偏振方向、与其荧光强度的对应关系。
研究者使用这种含有单个氮空位缺陷的金刚石纳米颗粒替代传统的荧光小球，从而通过激光共聚焦荧光显微镜，实现了对样品平面内金刚石纳米颗粒的旋转运动追踪。
利用此技术，该团队发现在细胞黏着斑邻近区域存在着微力矩，从而为细胞牵拉力的研究提供了新角度。
其中，线偏振调制方法的原理在于，金刚石中的氮空位缺陷色心，具有光学偏振的选择激发特性。简单来说，当线偏振激发光的偏振方向改变时，氮空位缺陷色心的荧光强度会随之改变。
研究中，课题组选用带有单个氮空位缺陷色心的高质量纳米金刚石颗粒作为探测样品，并在激发光路中进行简单的改动——加入装有半波片的电动旋转台，从而实现了线偏振调制。
一方面，通过测量线偏振调制曲线，能提取出氮空位缺陷色心在样品平面内投影的朝向。
另一方面，通过对线偏振调制过程中，氮空位缺陷色心荧光强度的最大值和最小值进行作差，课题组实现了去背景成像，从而对氮空位缺陷色心在样品平面内的位置，进行更精确的定位。
因此，当他们把含有氮空位缺陷色心的纳米金刚石，修饰在弹性基底的表面，就可以同时监测平面内纳米金刚石的旋转和平移运动，从而反映细胞牵引力引起的基底微小形变。
近日，相关论文以《纳米金刚石中单个缺陷的全光学调制：揭示细胞牵引力场中的旋转和平移运动》（All-Optical Modulation of Single Defects in Nanodiamonds: Revealing Rotational and Translational Motions in Cell Traction Force Fields）为题发表在 Nano Letters 上（IF 12.26），并被选为当期封面（Supplementary Cover）。博士生王凌志和博后侯勇担任共同第一作者，林原和褚智勤担任共同通讯作者。[1]
纳米金刚石和生物医学的“碰撞”
据介绍，褚智勤课题组当前最主要的研究方向，在于探索金刚石中氮空位缺陷色心在量子传感和探测上的应用，特别是生物医学方向的应用。
最开始，他和团队在想：能否通过一些实验手段，来简化基于氮空位缺陷自旋的一整套量子传感探测方案，从而让技术更具普适性？
特别是，传统的量子传感探测方案必须得把微波加到金刚石纳米颗粒样品上，所以可能会对一些生物系统比如细胞，产生不可预期的扰动。
在初期探索阶段，该团队了解到基于氮空位缺陷色心的光学偏振选择激发性质，能实现荧光强度调制的特性。
基于此，他们原本打算提出一种新型的去背景成像技术、或是超分辨技术，旨在扩展现有技术。
而在前行中，研究目标也经历了三次迭代升级。
第一次升级，该团队在文献调研中发现在生物应用中，氮空位缺陷色心的特质具有特别的优势。
一方面，相比于其他单光子源，含有单个氮空位缺陷色心的纳米金刚石颗粒，具有发光强且稳定、生物兼容性好、适合做表面化学修饰等优点。另一方面，偏振调制方法的实现是基于全光学调制的，因此对生物样品的干扰很小。
为此，他们把研究目的改为扩展生物领域的去背景成像技术、或者超分辨技术。
第二次升级，是因为课题组在实验中发现，单个氮空位缺陷色心的线性偏振调制曲线数据，具有很好的可重复性和周期性。
这表明，对于氮空位缺陷色心的朝向，偏振曲线能做出精确的表征。同时，进一步的文献调研显示，目前在生物医学领域中，能对纳米尺度物体的旋转运动进行测量的技术非常少。因此，他们又把研究重心转移到旋转运动测量。
第三次升级中，基于此前对细胞与培养基基底相互作用的研究，他们最终确定了“在细胞牵引力领域中测量基底的旋转运动”这一核心探索方向。
下一步“小目标”：从单个氮空位缺陷色心，拓展到多个色心
而完成研究的重要前提在于，要具备含有单个氮空位缺陷色心的高质量金刚石纳米颗粒样品，否则会“寸步难行”。
恰好在前不久，他们刚在纳米金刚石颗粒样品方面取得突破 [2]， 这让其得以在显微镜视野下，轻松找到拥有单个色心的高品质纳米金刚石颗粒样品。这极大提升了实验成功率，也提高了成果转化的潜力。
据悉，纳米尺度下的高精度显微测量工作，一直是个挑战性难题。而在单细胞层面做研究，更是增加了实验难度。
对此，褚智勤表示：“本项目的主要完成人王凌志（博士生）和侯勇（博士后）、以及其他成员，对相关测量细节把握得非常到位。并且他们不骄不躁，在项目陷入焦灼时仍能保持热情，这些都是项目顺利完成的关键因素。”
同时课题组认为，氮空位缺陷色心的偏振应用，还有很多待挖掘内容。一方面，偏振性质虽然在很多单光子源中都很常见，比如金纳米棒、量子棒、荧光分子等。
如前所述，含氮空位缺陷色心的纳米金刚石颗粒，当其作为发光源时具有着诸多优秀特质。
因此，相比于其他发光源的偏振性质，纳米金刚石颗粒中氮空位缺陷色心的偏振性质，具备更大的应用潜力。
另一方面，氮空位缺陷色心的独特性质在于：可在常温下通过电子自旋共振谱线，实现量子传感与探测。
鉴于这一突出性质的吸引力，也促使业内学者“前赴后继”地开展基于氮空位缺陷色心偏振的应用探索。
该团队也认为，如果进一步开发、并结合两种手段，或能实现更多、以及更好的组合探测方案。
但是，在当前阶段，课题组清楚地认识到，实验方案可能仍有两点不足：
其一，由于使用激光共聚焦荧光显微镜系统，所以每次只能测量单个纳米金刚石颗粒的旋转和平移运动。
但是，要想完整地表征细胞牵拉力的信息，往往需要同时测量多个不同位置的纳米金刚石颗粒的运动。
其二，在一些复杂的生物场景中，因为背景信号很高，而单个氮空位缺陷色心的荧光强度不足，所以会给实验带来困难。
下阶段，该团队打算使用宽场荧光显微镜，来实现对多个纳米金刚石颗粒的同时监测。并将使用含有大量色心的纳米金刚石颗粒，来解决“单个氮空位缺陷色心荧光强度可能不足”的问题。待技术升级之后，其打算沿着细胞牵引力的方向继续深入探索。
参考资料：
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.
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