新方法有望增强钻石量子传感器，用于追踪单细胞活动

将基于钻石的量子传感器植入活细胞，能够提供前所未有的细节，了解生命的运作方式以及疾病如何形成。芝加哥大学普利兹克分子工程学院教授亚伦·埃瑟-卡恩说：“可以把它想象成单个细胞的心电图——一种能同时、实时捕捉体内所有发生一切的方法。”“我们常规监测人体生命体征——心率、呼吸、体温——但直到现在，还没有类似的方法来测量细胞的生命体征。”

芝加哥大学PME和爱荷华大学的跨学科研究团队最初旨在使基于钻石的量子生物传感器毒性更低、炎症更少，整体上对细胞更为轻松。它意外地揭示了新的见解，推翻了限制传感器效能的一个重大假设。

“我们找到了缺失的一块拼图，”发表在《Advanced Materials》期刊论文的第一作者Uri Zvi博士说。

当植入活细胞时，基于钻石的生物传感器会发生称为“零场分裂”（ZFS）的能级变化，降低传感器的效能。人们一直认为这些变化是钻石对细胞温度的反应。

“钻石中量子比特的ZFS已知会受到温度影响。所以当人们观察到ZFS变化时，他们认为这些变化是由局部温度变化引起的，即细胞活动引起的，“芝加哥大学PME副教授彼得·莫勒说，他是该新研究的共同通讯作者，与埃瑟-卡恩和爱荷华大学助理教授丹尼斯·坎迪多共同撰写。

相反，他们发现是钻石表面导致了这些变化。毛勒说，这种更深的理解可以用来获得细胞更详细的读数。

“这篇论文有两项重大进展，”莫勒说。“首先，它解决了关于钻石纳米颗粒中量子比特共振变化起源的长期讨论，这些变化此前一直与细胞活动引起的热生成有关。

“我们证明这些变化并非由温度引起，而是由地表效应引起的。其次，我们证明观察到的量子比特共振变化可以与细胞过程相关，并可能成为探测细胞活动的一个有趣代理指标。”

跟随线索

此前一项跨学科的突破既揭示了这个谜团，也为团队提供了破解它的工具。

去年，兹维、免疫工程师埃瑟-卡恩、量子工程师毛勒和理论物理学家坎迪多合作开发了一种受量子点LED电视技术启发的新型壳壳生物传感器。

他们发现，将传感器涂覆一层硅，旨在让钻石对电池更易接触，同时也大大提升了传感器的稳定性。他们随后的调查发现了两点，兹维说这直接导致了这项新研究。

首先，涂层从金刚石中心分散电子，无意中关闭了产生自旋噪声的陷阱。兹维说，这就是性能提升的原因。其次，这种电子损失使钻石内部的电荷从负电转换为正电。

“我们一看到这个，就开始想，'嘿，这真是个截然不同的变化，'”兹维说。

这揭示了电场效应可能比之前认为更为显著，促使他们修正了理论。但涂层传感器也让他们能够进行实验测试。他们可以控制表面效应。

无论传感器是否涂层，电池的温度都是一样的，所以如果温度导致了ZFS的偏移，两个传感器都会检测到这些变化。结果发现，硅胶涂层抑制了ZFS的移动。地面是罪魁祸首。

“然后是重要信息，”兹维说。“我们在牢房内30分钟内测量了5度的变化。这在热力学上根本不可行。”

“无法解释且令人困惑”

“我远非生物学专家，但细胞温度突然变化4到5摄氏度，实在是非常意外，”坎迪多开玩笑道。“作为理论家，我总是喜欢实验者拥有无法解释且令人困惑的数据，所以非常令人兴奋！”

虽然当前研究表明温度并非观测到的零场分裂位移的原因，但这一结论与以往许多文献形成鲜明对比。兹维表示，早期研究曾将类似的零场分裂移解读为细胞内温度变化1至10度的证据。

这促使兹维和坎迪多重新开始理论设计。他们不仅找到了ZFS位移背后的真正罪魁祸首，还找到了区分温度变化和电场信号的重要方法。

未来的研究人员可以利用这一点，对细胞进行更准确的温度读数和更先进的生物传感器，以理解生命本身。

Zvi说：“你可以考虑能够追踪T细胞是变成调控T细胞还是杀手T细胞，细胞是变成癌细胞还是保持健康细胞。”“有一个全新的世界等待探索，还有全新的探索方式。”

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