磁性微型机器人操控活细胞内的量子传感器

细胞软软且柔软。像量子传感器这样的微小纳米级粒子由于粘性阻力无法自由运动，这使得感测变得具有挑战性。印度科学研究院（IISc）的研究人员现已开发出一种技术，能够利用磁性微型机器人精确操控量子传感器穿越这些高粘度生物环境，如活细胞内部。这为实时、微创测量细胞内局部粘度和温度等参数提供了可能。

“在软环境中，测量受分析物接近传感器的概率限制。因此，问题是是否可以把传感器靠近，寻找分析物，“纳米科学与工程中心（CeNSE， IISc）教授、发表在《高级功能材料》期刊上的该研究的通讯作者Ambarish Ghosh解释道。

量子传感器的工作原理

Ghosh团队将含有氮空缺（NV）缺陷的纳米钻石量子传感器与磁控微型机器人结合。NV缺陷是金刚石晶格中碳原子被氮取代的特定位置，位于空位点附近。它有电子的量子自旋态依赖于周围环境——不同的物理性质如温度和磁场以不同且可测量的方式扰动自旋态。

当激光束激发纳米钻石时，产生的荧光可以用来测量细胞内的多个参数。难点在于如何将这样的传感器送到正确的位置。早期方法使用称为光学镊子的聚焦激光束来定位和引导纳米钻石，但强烈的光线可能会灼烧细胞。

磁性微型机器人取代了光学镊子

IISc团队的解决方案是将纳米钻石连接到磁控微型机器人上，像开瓶器一样推动流体。微型机器人含有铁，因此当外部旋转磁场施加时，微型机器人会旋转以对齐铁场。由于其螺旋形，旋转被转化为前进的线性运动。这使得团队能够在三维空间中精确操控传感器，无需任何基于光的操作。光线仅在使用荧光测量时使用，无需移动传感器，从而最大限度地减少光毒性和加热。

在纳米尺度上，还有另一个问题需要解决：周围分子的随机热震动，称为布朗运动，可能导致传感器方向不稳定，增加噪声并降低灵敏度。但由于微型机器人可以通过外部磁场精确定向，研究人员能够保持纳米钻石的稳定，抑制噪声并恢复干净信号。

克服噪声和磁干扰

“我们能够用磁力操控来抵消布朗运动。这使得该平台比光学或其他任何技术更具前景，“Ghosh说。

为了设计传感器，团队必须精确地将纳米钻石与磁电机结合，同时不允许两者的属性相互干扰。CeNSE研究助理、该研究第一作者Eklavy Vashist表示：“这并不直观，因为传感器本身可能受到磁性元件的影响。”团队通过将纳米钻石放置在距离微型机器人铁头约一微米的位置来解决这个问题，因为电机的磁场对传感器的影响微乎其微。

“这种传感器还可以用于观察活细胞内部，例如测量活性氧（ROS），这在癌症和衰老中至关重要，”Ghosh说。

Eklavy Vashist 等，《磁性机动量子传感器，先进功能材料》（2026）。DOI：10.1002/adfm.202527479

期刊信息：先进功能材料 

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