“當(dāng)前從我們組孵化出來(lái)初創(chuàng)公司 Quanta Diamond Techchnologies，正在對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)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(jī)電子工程系褚智勤教授表示。

圖 | （從左至右）香港大學(xué)機(jī)械工程系林原教授和香港大學(xué)電機(jī)電子工程系褚智勤教授（來(lái)源：資料圖）

       近日，他和香港大學(xué)機(jī)械工程系林原教授合作完成了一項(xiàng)新成果：通過(guò)激發(fā)光的線偏振調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米金剛石旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)。
       金剛石，即常見(jiàn)的鉆石的原身。最近十年來(lái)，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(tuán)隊(duì)希望通過(guò)進(jìn)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(xì)胞矢量力檢測(cè)、納米馬達(dá)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、和高分辨生物成像等領(lǐng)域。

（來(lái)源：Nano Letters）

       可以說(shuō)，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(xì)胞力測(cè)量提供了全新的解決思路。
       當(dāng)?shù)瘴蝗毕萆姆謩e處于有細(xì)胞力和無(wú)細(xì)胞力兩個(gè)狀態(tài)時(shí)，研究人員對(duì)納米金剛石顆粒的位置和朝向進(jìn)行比較，證明了如下規(guī)律：在細(xì)胞的粘附和移動(dòng)中，力矩起著核心作用。
       在審稿過(guò)程中，該論文還收獲了如下評(píng)價(jià)：作者使用線偏振調(diào)制方法，實(shí)現(xiàn)了金剛石納米顆粒旋轉(zhuǎn)和平移的高精度測(cè)量，為研究細(xì)胞和納米材料的相互作用提供了全新思路。
       同時(shí)，該方法還能實(shí)現(xiàn)對(duì)背景熒光信號(hào)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(lái)源：Nano Letters）

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

       據(jù)介紹在生物體內(nèi)，細(xì)胞是實(shí)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(xì)胞與微環(huán)境之間，一直存在各種動(dòng)態(tài)物理反應(yīng)和生化反應(yīng)。

       該團(tuán)隊(duì)的前期工作，一直在研究細(xì)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(hào)如何被細(xì)胞感知、如何傳導(dǎo)到細(xì)胞內(nèi)部、以及如何影響下游的基因和蛋白表達(dá)等。

       而此次研究目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，其核心需求之一在于使用專業(yè)且精密的測(cè)量工具，去捕獲細(xì)胞力造成的基底的微小形變。
       尤其是細(xì)胞，其時(shí)刻生存于一個(gè)復(fù)雜、動(dòng)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(xì)胞力學(xué)測(cè)量工具的研發(fā)提出了極高要求。
       之前，主流的細(xì)胞力測(cè)量方案，大多只能測(cè)量標(biāo)記物平移信息，無(wú)法給出標(biāo)記物旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)信息，這讓人們?cè)诜治黾?xì)胞與微環(huán)境力學(xué)作用時(shí)，缺少了一個(gè)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(biāo)記物平移信息。

（來(lái)源：Nano Letters）

       為研究細(xì)胞牽拉力引起的多維運(yùn)動(dòng)提供新角度

       一般說(shuō)來(lái)，除了個(gè)別基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移的分子檢測(cè)手段，可以直接測(cè)量細(xì)胞力的大小之外。通用的細(xì)胞力檢測(cè)方法，往往是借助標(biāo)記物來(lái)追蹤細(xì)胞力造成的基底形變，來(lái)定量細(xì)胞力大小。
       常用的追蹤標(biāo)記物一般是納米熒光球、或彈性微柱陣列，而這種標(biāo)記物只能提供基底形變?cè)斐傻钠揭菩畔?，無(wú)法提供其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)信息，原因在于標(biāo)記物自身無(wú)法提供朝向信息。
       由于一直缺乏簡(jiǎn)單好用的測(cè)量技術(shù)，這部分力學(xué)信息也一直被人為“主動(dòng)”忽略掉。

（來(lái)源：Nano Letters）

       而在本工作中，課題組巧妙利用了單個(gè)氮空位缺陷色心軸向、線偏振光偏振方向、與其熒光強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
       研究者使用這種含有單個(gè)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(guò)激光共聚焦熒光顯微鏡，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品平面內(nèi)金剛石納米顆粒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)追蹤。
利用此技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞黏著斑鄰近區(qū)域存在著微力矩，從而為細(xì)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)線偏振激發(fā)光的偏振方向改變時(shí)，氮空位缺陷色心的熒光強(qiáng)度會(huì)隨之改變。
       研究中，課題組選用帶有單個(gè)氮空位缺陷色心的高質(zhì)量納米金剛石顆粒作為探測(cè)樣品，并在激發(fā)光路中進(jìn)行簡(jiǎn)單的改動(dòng)——加入裝有半波片的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)了線偏振調(diào)制。
       一方面，通過(guò)測(cè)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(guò)對(duì)線偏振調(diào)制過(guò)程中，氮空位缺陷色心熒光強(qiáng)度的最大值和最小值進(jìn)行作差，課題組實(shí)現(xiàn)了去背景成像，從而對(duì)氮空位缺陷色心在樣品平面內(nèi)的位置，進(jìn)行更精確的定位。
       因此，當(dāng)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(shí)監(jiān)測(cè)平面內(nèi)納米金剛石的旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)，從而反映細(xì)胞牽引力引起的基底微小形變。

（來(lái)源：Nano Letters）

       近日，相關(guān)論文以《納米金剛石中單個(gè)缺陷的全光學(xué)調(diào)制：揭示細(xì)胞牽引力場(chǎng)中的旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)》（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(dāng)期封面（Supplementary Cover）。博士生王凌志和博后侯勇?lián)喂餐谝蛔髡撸衷婉抑乔趽?dān)任共同通訊作者。[1]

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)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(dāng)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(cè)上的應(yīng)用，特別是生物醫(yī)學(xué)方向的應(yīng)用。

       最開(kāi)始，他和團(tuán)隊(duì)在想：能否通過(guò)一些實(shí)驗(yàn)手段，來(lái)簡(jiǎn)化基于氮空位缺陷自旋的一整套量子傳感探測(cè)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(cè)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(huì)對(duì)一些生物系統(tǒng)比如細(xì)胞，產(chǎn)生不可預(yù)期的擾動(dòng)。
       在初期探索階段，該團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)熒光強(qiáng)度調(diào)制的特性。
       基于此，他們?cè)敬蛩闾岢鲆环N新型的去背景成像技術(shù)、或是超分辨技術(shù)，旨在擴(kuò)展現(xiàn)有技術(shù)。
       而在前行中，研究目標(biāo)也經(jīng)歷了三次迭代升級(jí)。
       第一次升級(jí)，該團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)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(shì)。
       一方面，相比于其他單光子源，含有單個(gè)氮空位缺陷色心的納米金剛石顆粒，具有發(fā)光強(qiáng)且穩(wěn)定、生物兼容性好、適合做表面化學(xué)修飾等優(yōu)點(diǎn)。另一方面，偏振調(diào)制方法的實(shí)現(xiàn)是基于全光學(xué)調(diào)制的，因此對(duì)生物樣品的干擾很小。
       為此，他們把研究目的改為擴(kuò)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(jí)，是因?yàn)檎n題組在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，單個(gè)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(duì)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(shí)，進(jìn)一步的文獻(xiàn)調(diào)研顯示，目前在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，能對(duì)納米尺度物體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)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(yùn)動(dòng)測(cè)量。
       第三次升級(jí)中，基于此前對(duì)細(xì)胞與培養(yǎng)基基底相互作用的研究，他們最終確定了“在細(xì)胞牽引力領(lǐng)域中測(cè)量基底的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)”這一核心探索方向。

（來(lái)源：Nano Letters）

       下一步“小目標(biāo)”：從單個(gè)氮空位缺陷色心，拓展到多個(gè)色心

       而完成研究的重要前提在于，要具備含有單個(gè)氮空位缺陷色心的高質(zhì)量金剛石納米顆粒樣品，否則會(huì)“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(gè)色心的高品質(zhì)納米金剛石顆粒樣品。這極大提升了實(shí)驗(yàn)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(cè)量工作，一直是個(gè)挑戰(zhàn)性難題。而在單細(xì)胞層面做研究，更是增加了實(shí)驗(yàn)難度。
       對(duì)此，褚智勤表示：“本項(xiàng)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(duì)相關(guān)測(cè)量細(xì)節(jié)把握得非常到位。并且他們不驕不躁，在項(xiàng)目陷入焦灼時(shí)仍能保持熱情，這些都是項(xiàng)目順利完成的關(guān)鍵因素?！?br/>       同時(shí)課題組認(rèn)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(jiàn)，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(dāng)其作為發(fā)光源時(shí)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(dú)特性質(zhì)在于：可在常溫下通過(guò)電子自旋共振譜線，實(shí)現(xiàn)量子傳感與探測(cè)。
       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(kāi)展基于氮空位缺陷色心偏振的應(yīng)用探索。
       該團(tuán)隊(duì)也認(rèn)為，如果進(jìn)一步開(kāi)發(fā)、并結(jié)合兩種手段，或能實(shí)現(xiàn)更多、以及更好的組合探測(cè)方案。
       但是，在當(dāng)前階段，課題組清楚地認(rèn)識(shí)到，實(shí)驗(yàn)方案可能仍有兩點(diǎn)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(cè)量單個(gè)納米金剛石顆粒的旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)。
       但是，要想完整地表征細(xì)胞牽拉力的信息，往往需要同時(shí)測(cè)量多個(gè)不同位置的納米金剛石顆粒的運(yùn)動(dòng)。
       其二，在一些復(fù)雜的生物場(chǎng)景中，因?yàn)楸尘靶盘?hào)很高，而單個(gè)氮空位缺陷色心的熒光強(qiáng)度不足，所以會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)困難。
       下階段，該團(tuán)隊(duì)打算使用寬場(chǎng)熒光顯微鏡，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)納米金剛石顆粒的同時(shí)監(jiān)測(cè)。并將使用含有大量色心的納米金剛石顆粒，來(lái)解決“單個(gè)氮空位缺陷色心熒光強(qiáng)度可能不足”的問(wèn)題。待技術(shù)升級(jí)之后，其打算沿著細(xì)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.