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                    將“鉆石”用于生物醫學?港大團隊提取納米金剛石顆粒,為研究細胞和材料的相互作用提供新思路

                    關鍵詞 納米金剛石|2022-09-14 08:59:56|技術信息|來源 DeepTech深科技
                    摘要 “當前從我們組孵化出來初創公司QuantaDiamondTechchnologies,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的納米金剛石顆粒樣品?!毕愀鄞髮W電機電子工...

                           “當前從我們組孵化出來初創公司 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的納米金剛石顆粒樣品?!毕愀鄞髮W電機電子工程系褚智勤教授表示。

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

                           近日,他和香港大學機械工程系林原教授合作完成了一項新成果:通過激發光的線偏振調制,實現對納米金剛石旋轉運動的監測。
                           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)備受關注。
                           而在應用潛力上,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制方法,讓其真正用于三維環境細胞矢量力檢測、納米馬達運動檢測、和高分辨生物成像等領域。

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                    (來源:Nano Letters)

                           可以說,該工作基于氮空位缺陷色心領域已知的偏振性質,為多維度細胞力測量提供了全新的解決思路。
                           當氮空位缺陷色心分別處于有細胞力和無細胞力兩個狀態時,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:作者使用線偏振調制方法,實現了金剛石納米顆粒旋轉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。

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                    (來源:Nano Letters)

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

                           據介紹在生物體內,細胞是實現器官功能、感受環境刺激、并做出反應的最小功能單位。細胞與微環境之間,一直存在各種動態物理反應和生化反應。

                           該團隊的前期工作,一直在研究細胞與微環境之間的力學關系,包括微環境的力學信號如何被細胞感知、如何傳導到細胞內部、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,其核心需求之一在于使用專業且精密的測量工具,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雜、動態的環境里,力的方向和大小都在不停變化,這給高精密細胞力學測量工具的研發提出了極高要求。
                           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運動信息,這讓人們在分析細胞與微環境力學作用時,缺少了一個維度的力學信息。
                    而此次提出的基于氮空位缺陷色心的線偏振調制方法,為上述難題提供了初步解決方案。另外,該方法還能在復雜生理環境下,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。

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                    (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,這部分力學信息也一直被人為“主動”忽略掉。

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                    (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關系。
                           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的熒光小球,從而通過激光共聚焦熒光顯微鏡,實現了對樣品平面內金剛石納米顆粒的旋轉運動追蹤。
                    利用此技術,該團隊發現在細胞黏著斑鄰近區域存在著微力矩,從而為細胞牽拉力的研究提供了新角度。
                           其中,線偏振調制方法的原理在于,金剛石中的氮空位缺陷色心,具有光學偏振的選擇激發特性。簡單來說,當線偏振激發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量納米金剛石顆粒作為探測樣品,并在激發光路中進行簡單的改動——加入裝有半波片的電動旋轉臺,從而實現了線偏振調制。
                           一方面,通過測量線偏振調制曲線,能提取出氮空位缺陷色心在樣品平面內投影的朝向。
                           另一方面,通過對線偏振調制過程中,氮空位缺陷色心熒光強度的最大值和最小值進行作差,課題組實現了去背景成像,從而對氮空位缺陷色心在樣品平面內的位置,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,就可以同時監測平面內納米金剛石的旋轉和平移運動,從而反映細胞牽引力引起的基底微小形變。

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                    (來源:Nano Letters)

                           近日,相關論文以《納米金剛石中單個缺陷的全光學調制:揭示細胞牽引力場中的旋轉和平移運動》(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擔任共同第一作者,林原和褚智勤擔任共同通訊作者。[1]

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                    圖 | 相關論文(來源:Nano Letters)

                           納米金剛石和生物醫學的“碰撞”

                           據介紹,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用,特別是生物醫學方向的應用。

                           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,從而讓技術更具普適性?

                           特別是,傳統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比如細胞,產生不可預期的擾動。
                           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偏振選擇激發性質,能實現熒光強度調制的特性。
                           基于此,他們原本打算提出一種新型的去背景成像技術、或是超分辨技術,旨在擴展現有技術。
                           而在前行中,研究目標也經歷了三次迭代升級。
                           第一次升級,該團隊在文獻調研中發現在生物應用中,氮空位缺陷色心的特質具有特別的優勢。
                           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,具有發光強且穩定、生物兼容性好、適合做表面化學修飾等優點。另一方面,偏振調制方法的實現是基于全光學調制的,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域的去背景成像技術、或者超分辨技術。
                           第二次升級,是因為課題組在實驗中發現,單個氮空位缺陷色心的線性偏振調制曲線數據,具有很好的可重復性和周期性。
                           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,進一步的文獻調研顯示,目前在生物醫學領域中,能對納米尺度物體的旋轉運動進行測量的技術非常少。因此,他們又把研究重心轉移到旋轉運動測量。
                           第三次升級中,基于此前對細胞與培養基基底相互作用的研究,他們最終確定了“在細胞牽引力領域中測量基底的旋轉運動”這一核心探索方向。

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                    (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,也提高了成果轉化的潛力。
                           據悉,納米尺度下的高精度顯微測量工作,一直是個挑戰性難題。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,對相關測量細節把握得非常到位。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鍵因素?!?br/>       同時課題組認為,氮空位缺陷色心的偏振應用,還有很多待挖掘內容。一方面,偏振性質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,當其作為發光源時具有著諸多優秀特質。
                           因此,相比于其他發光源的偏振性質,納米金剛石顆粒中氮空位缺陷色心的偏振性質,具備更大的應用潛力。
                           另一方面,氮空位缺陷色心的獨特性質在于:可在常溫下通過電子自旋共振譜線,實現量子傳感與探測。
                           鑒于這一突出性質的吸引力,也促使業內學者“前赴后繼”地開展基于氮空位缺陷色心偏振的應用探索。
                           該團隊也認為,如果進一步開發、并結合兩種手段,或能實現更多、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,所以每次只能測量單個納米金剛石顆粒的旋轉和平移運動。
                           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,來實現對多個納米金剛石顆粒的同時監測。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。待技術升級之后,其打算沿著細胞牽引力的方向繼續深入探索。
                    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.

                     

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