论文标题：Toward Subcellular Action Potential Detection with Nanodiamond Quantum Magnetometry

论文链接：https://www.mdpi.com/2079-4991/15/24/1879

期刊名：Nanomaterials

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/nanomaterials

编委鉴赏

目前，人类许多病症仍缺乏普适且有效的治疗手段，因此对能够捕获早期电生理信号的超灵敏、非侵入性、单细胞水平的检测技术有迫切需求。当前用于非接触式记录动作电位的局部磁强计技术依赖于离子电流感应磁场的检测，不仅仪器体积庞大、费用昂贵，且通常需要低温冷却环境。新兴的量子传感为此提供了更好的技术手段，基于金刚石氮空位 (NV) 色心的量子磁强计可用于心脏组织等的动作电位检测，但单细胞级动作电位检测仍是一大技术挑战。针对这一难题，近期美国摩根州立大学Birol Ozturk团队采用金刚石纳米颗粒制备作为探针，验证了亚细胞水平动作电位检测的技术可行性，为神经退行性疾病和心血管疾病的早期诊断提供了潜在技术手段，也为细胞内动力学研究提供了新的有效工具。该课题组正致力于生物医学量子显微成像技术研究，相关工作对领域内研究者具有重要的启发意义。

文章导读

神经退行性疾病与心血管疾病具有高发病率、无有效根治手段的特点，亟需发展超灵敏、非侵入性检测技术对其进行早期诊断。传统检测方法存在明显局限，如脑磁图 (magnetoencephalography, MEG) 成本高、设备笨重；单细胞接触式检测方法侵入性、破坏性强。

量子传感技术为解决上述问题提供了新路径，金刚石氮空位 (NV) 色心缺陷可检测微小磁场等变化，已被用于心脏组织和整体生物的动作电位检测；纳米金刚石颗粒 (NDs) 具有生物相容性、极低毒性、光稳定性等优势，若引入NV色心有望解决亚细胞水平动作电位检测的技术难题。

基于此，本文研究了NDs在亚细胞水平动作电位检测中的应用可行性；通过共聚焦成像观察不同尺寸NDs在CAD (Cath.-a-differentiated) 小鼠脑细胞中的摄取情况，发现10 nm和60 nm NDs可在30分钟内扩散进入细胞且无荧光漂白现象；利用光检测磁共振 (optically detected magnetic resonance, ODMR) 技术，在细胞溶液中成功检测到外部施加的mT级磁场，表明NDs有望用于亚细胞水平动作电位的量子磁传感。本研究为神经退行性疾病和心血管疾病的早期诊断提供了潜在技术手段，有望实现亚细胞水平电生理活动的高分辨率检测，助力理解细胞功能及疾病机制，推动量子传感在生物医学领域的应用。

材料制备与实验方法

1. 细胞培养

CAD小鼠脑细胞按照标准规程进行培养。向DMEM培养基中添加8%的胎牛血清 (fetal bovine serum, FBS) 以提供必要的生长因子，以及1%的青霉素-链霉素以防止细菌污染，确保其在无菌环境以获得最佳的细胞健康。将细胞在培养皿中培养，每两天对细胞进行常规传代。小心地用轻移液分离细胞，并将其放入新鲜的5 ml培养基中以便重悬，再将细胞转移到新的培养皿中继续生长和分裂。将NDs小心地悬浮在培养基中，以确保均匀分布并促进其被CAD细胞内化。最后将收到的NDs溶液用去离子水稀释10倍。

2. 实验方法

作者通过共聚焦成像分析NDs的细胞摄取，结合ODMR技术验证其在生物环境中的磁检测；使用Leica STELLARIS 5倒置共聚焦显微镜获得装载NDs细胞的荧光图像；室温ODMR实验采用定制的共聚焦光致发光装置，原理图如图1所示；将包含细胞和NDs溶液的杂交室放置在双环共面波导天线的顶部，在环和馈线之间；采用532 nm二极管泵浦固态激光器激发NV缺陷，采用射频信号发生器通过射频天线对样品施加微波；使用基于期望最大化的机器学习算法去除光谱仪的背景噪声计数。

图1. 实验装置示意图

研究结果与讨论

结果一 ：NDs的光致发光 (PL) 信号在5小时成像中无漂白现象，表明其作为荧光标记的稳定性；NDs的细胞摄取具有尺寸依赖性，10 nm和60 nm NDs可有效进入细胞且荧光稳定。

在CAD小鼠脑细胞的生长培养基中沉积不同大小 (10、60、100和140 nm) 的NDs，并进行共聚焦PL显微镜成像，显示细胞对NDs的摄取情况。将细胞和NDs放置在有8个孔的载玻片中培养，如图2a所示。共聚焦成像实验未观察到ND PL信号的漂白迹象。图2b-i显示了不同大小NDs细胞的差分干涉对比和相应的PL图像。细胞主要通过内吞作用吸收10 nm的NDs。

图2. (a) 样品载玻片实物图；(b-e) 分别加载直径10、60、100 和140 nm NDs的CAD小鼠神经元细胞微分干涉衬度显微图像；(f-i) 共聚焦光荧光显微图像。比例尺代表100 µm。

结果二：首次在活脑细胞环境中实现NDs的ODMR检测，为亚细胞级量子磁传感提供了实验依据。

作者对含有NDs和细胞的8个样品进行了ODMR实验。将ND和细胞溶液放置在直径为4 mm、体积为25 μ L的杂交室中进行ODMR测量，如图3a所示。被测样品在没有任何外加磁场的情况下，于活的CAD细胞中成功地获得了ODMR结果，证明了用NDs检测活细胞中动作电位诱导磁场的潜力。所有NDs的代表性PL光谱如图3b所示。图3c显示了对应每个NDs尺寸值的零场ODMR扫描平均值。

图3. (a)共聚焦PL样品台图像；(b)细胞内ND样品的PL信号；(c)细胞吸收NDs后的零场平均ODMR谱。

结果三：演示了ODMR技术在细胞溶液中成功检测到外部施加的1.7 mT磁场，谱线分裂符合NV缺陷的塞曼效应；证明了用NDs在活细胞中进行磁场传感的可行性，为亚细胞水平动作电位的磁传感奠定基础。

利用亥姆霍兹线圈对样品施加1.7 mT的磁场，进行ODMR扫描，测试细胞内NDs的磁场感应能力，ODMR扫描结果如图4a所示。在对数据进行平滑后又作了三次插值，如连续的红线所示。由于塞曼效应，在所有ND尺寸下都可以看到约50 MHz的ODMR衰减分裂，这与理论得到的NV缺陷回旋磁比一致。

图4. (a) 用NDs活细胞检测外加磁场的ODMR结果，对于所有ND尺寸，ODMR衰减约为50 MHz，对应于应用的1.7 mT场；(b) 用体金刚石获得的ODMR结果，与ND相比，倾角更窄，定义更明确；(c) NDs和NV缺陷 (红色箭头) 的随机取向示意图，其导致ODMR倾角变宽。

图4b为块体金刚石样品的1.7 mT磁场检测ODMR谱。比较可以看出，ND ODMR光谱的倾角比块体金刚石要宽得多。这种展宽是由于ND样品在细胞溶液中的随机取向，如图4c所示。由于NV轴与外部磁场之间的角度在NDs上不同，因此塞曼分裂不同，导致共振频率的分布。这导致在NV中心排列的块体晶体中观察到的ODMR谱急剧变窄 (图4b)；而每个ND具有多个带负电荷的NV缺陷，其方向随机，从而导致ODMR倾角的展宽。

研究总结

NV缺陷的量子传感能够检测温度、宿主材料应变以及磁场和电场的微小变化。具有NV缺陷的NDs以前被用作有效的荧光标记物，本文报道了NDs在神经元细胞亚细胞水平动作电位检测中的潜在用途。研究了不同大小的NDs在CAD小鼠脑细胞中的摄取，在活体小鼠脑细胞存在的情况下观察到NDs的ODMR信号，是记录高空间分辨率感应动作电位的关键一步。工作表明NDs有望用于亚细胞水平动作电位的量子磁传感，为多种疾病的细胞级早期诊断提供了潜在手段，将助力理解细胞功能及疾病机制，推动量子传感在生物医学领域的应用。

本文撰稿人介绍

宋海智教授

电子科技大学西南技术物理研究所

电子科技大学教授、西南技术物理研究所研究员。1995年北京大学博士；1998-2014于比利时日本长期研究从事半导体纳米光电材料器件研究；2014年起在国内开展了微纳光电集成器件、低维及纳米材料、量子信息技术等研究。近年主要成果有：开发1.3 µm半导体量子点激光器产品，研制1.06 µm量子阱激光器，发明了量子点量子计算阵列，制备量子点单光子源实现120 km光纤量子通信。自主研制了红外雪崩探测器材料器件产品，研制光纤集成光子纠缠光源、芯片集成量子光源等；制备水解制氢纳米材料，设计光电探测二维材料，提出和探索中红外单光子探测的纳米材料方案。发表学术论文250余篇，授权欧美日中专利50余项。担任 Nanomaterials、J. Electr. Sci. Tech、《激光技术》、《物理科学与技术》等期刊编委。

Nanomaterials 期刊介绍

主编：Eugenia Valsami-Jones, University of Birmingham, UK

期刊聚焦纳米材料科学领域的研究，旨在发表纳米材料制备、表征和应用各个方面的研究。目前期刊已被Scopus、SCIE (Web of Science)、PubMed、PMC、Embase、CAPlus / SciFinder、Inspec等数据库收录。

2025 Impact Factor: 4.8

2025 CiteScore: 10.3

Time to First Decision: 14 Days

Acceptance to Publication: 2.5 Days