量子领域最具影响力的投研服务平台

滑动了解更多

量子传感器，怎样用于生物医学？| 综述荐读

넳 넲

发布时间：2023-09-27

生物医学科学的进步往往得益于灵敏度和分辨率更高的工具的开发，这些工具可以对逐渐变弱、更局部化和/或具有生物特异性的信号进行检测和成像。核磁共振(NMR)或脑磁图(MEG)的改进已在诊断和治疗方面取得了巨大进步，但要进一步提高灵敏度和分辨率似乎对传统方法构成了挑战。此时，量子科学与技术的进步为新一代生物医学传感器的发展提供了一个大有可为的方向。

对单个量子系统的控制和测量在几十年前似乎是不可能的，但现在已在全球许多实验室中成为现实。这一成就在学术界和工业界都引起了极大的反响：量子计算和量子通信备受关注，但量子技术的另一支柱——量子传感也在迅速发展。量子传感器的优势之一是通过量子效应提高灵敏度；有些量子传感器小到只有一个原子，因此，可以产生无与伦比的空间分辨率。这些新功能可使生物医学应用实现真正的“量子飞跃”。

如今，基于量子传感器的脑成像，以及单个蛋白质和细胞尺度的核磁共振已经进行了初步尝试。它们是量子传感从学术实验室向商业应用过渡的激动人心的时刻。

生物医学应用可以从这些量子技术中获益，但通常很难评估这些技术的潜在影响。近期，一篇发表在《自然物理评论》的综述揭示了这些问题、介绍了量子传感应用的现状，并讨论了它们的商业化之路。

量子传感器将对不同长度尺度的生物医学研究产生影响。金刚石中的氮空位(NV)色心适用于单个分子的结构测定。在细胞尺度上，NV色心有助于研究新陈代谢和探测神经元的电活动。这种量子传感器还可以集成到纳米金刚石中，作为体内纳米级温度传感器。探测动物和人类的生物磁信号是量子传感器的另一项前景广阔的应用：在这方面，光泵磁力仪(OPM)因其高磁场灵敏度而非常适合。

要点一览KEY POINTS

- 量子传感器能够以前所未有的空间分辨率和灵敏度探测磁场和其他物理量，因此在生物医学应用中具有极大的吸引力。

- 光泵磁力仪为临床脑磁图提供了新的功能，其可穿戴式传感器头盔允许受试者在记录大脑活动时执行任务和移动。

- 基于氮空位(NV)中心的单个神经元和磁性生物标记物磁力计具有亚细胞分辨率，为研究神经元回路和快速临床测试开辟了新途径。

- 基于金刚石中NV色心的核磁共振可实现单分子和单细胞的微米级和纳米级检测，可用于跨膜蛋白的结构测定和代谢组学研究。

- 含有NV色心的纳米金刚石可以局部探测细胞和小型生物体内与温度有关的生物过程：如细胞发育和内源发热。

量子传感器是利用量子相干性、干涉和纠缠来确定相关物理量的单个系统或系统集合。

现在，量子传感器已在多种系统中实现，其工作原理大相径庭。这种多样性使它们各自适用于不同的应用，并允许它们以互补的方式使用。下面，我们将简要介绍量子传感器最突出的例子。

- 超导电路

最早的量子传感器之一是SQUID。SQUID以超导约瑟夫森结为基础，可在受控实验室环境中测量灵敏度高达10 a T Hz^-1/2的磁场。许多SQUID传感器已在市场上销售：例如，它们被应用于MEG、检测来自大脑的磁信号。然而，SQUID需要低温运行，这就需要庞大的装置，并限制了实际应用中可实现的空间分辨率。

- 原子集合

蒸气室中的碱原子团可以自旋极化，其磁场耦合可以通过光学手段进行探测。除了下图中描述的基于吸收的方法外，还可以通过测量探针光的直流和交流偏振旋转来实现磁场探测。在实验室中，这些OPM的相干时间可长达几分钟，磁场灵敏度可达100 aT Hz^-1/2。无自旋交换弛豫OPM在100 °C的高温和近零磁场条件下运行。高温要求与目标样品隔绝，而对近零磁场的要求则需要额外的线圈来抵消环境磁场。OPM单元已微型化到毫米级，但灵敏度有所下降，最终限制了给定灵敏度的空间分辨率；缠结增强传感也已通过OPM得到证实。

这些特性的结合使OPM能够应用于NMR、MEG、磁心动图 (MCG)和磁感应断层扫描。

光泵磁力仪(OPM)和氮空位磁强计(NV)的工作原理。a) 在OPM中，玻璃池中的铷原子（以各种碱原子为例）被光学自旋极化。在零磁场中，探针激光的传输达到最大值（左图）。b)金刚石晶格中的NV色心的自旋态被初始化，并在存在磁场的情况下通过绿色激发光、微波(MW)共振场和红色荧光进行探测(B)。c)NV色心在零磁场（左）和B = 1.2 mT（右）时的光学检测磁共振(ODMR)光谱，其中γ是电子回旋磁比，|0⟩、|±1⟩ 分别代表电子自旋态ms = 0 , ±1。

- 固态自旋

半导体中的电子自旋缺陷也可用于量子传感。金刚石因其大带隙而成为光学可寻址缺陷的特殊宿主材料。最值得注意的是，金刚石中的NV色心作为量子传感器已被广泛研究。

自旋态的光学初始化和读出已被证明可达到单NV水平。由于自旋轨道耦合较低，NV的基态自旋在环境条件下的相干时间可达 ~1毫秒。事实证明，NV色心可在较大的温度（4 K至625 K）、磁场（高达8.3 T）和压力（高达13.6GPa）范围内发挥作用。这些特性使得金刚石中的NV色心和其他色心不仅在量子传感方面，而且在量子信息处理和量子通信方面都具有吸引力。在磁力测量中，通过使用N个色心的集合，光子射击噪声限制灵敏度可提高1/√N 倍；通过使用N个NV色心的集合，实验灵敏度可达~1 pT Hz^-1/2。

此外，NV色心还可用作温度、电场和压力的传感器。

NV色心显示出从直流到千兆赫频率的传感带宽。在使用 NV组合的宽场成像应用中，空间分辨率通常取决于光学显微镜的衍射极限。然而，通过将NV与原子力显微镜等扫描技术相结合，空间分辨率可提高到几纳米水平，主要受限于NV与表面的距离。此外，还可以制造出含有NV色心的纳米金刚石，这种金刚石可以被功能化并用作局部探针。金刚石中的其他缺陷（如硅空位中心）和不同主材料（如碳化硅或正硅酸钇）中的缺陷正被积极研究用作量子传感器。然而，由于其相干特性有限，它们的灵敏度还无法与相媲美。

对人体生物磁性的监测和成像有助于诊断和治疗。例如，大脑通过神经元中的电流流动产生磁场；这些磁场可通过MEG检测到，并可用于研究脑损伤和脑部疾病，如癫痫和痴呆症。

传统的MEG最早于20世纪70年代初得到证实，它以SQUID传感器为基础，噪音水平为fT Hz^-1/2。尽管在商业和临床上得到了广泛应用，但MEG苛刻的操作条件仍然造成了严重的限制。例如，SQUID运行需要低温，这使得传感器阵列非常笨重（安装传感器阵列的头盔重达400多公斤），并增加了传感器与受试者之间的距离。这种距离不仅限制了信噪比和空间分辨率，而且使被测者在记录过程中无法移动。此外，固定的MEG头盔尺寸使大脑成像变得复杂：因为受试者的头部轮廓会有很大变化，尤其是儿童。

量子传感技术的出现为解决这些限制开辟了新的途径。最有前途的是商用OPM，其灵敏度可达约10 fT Hz^-1/2，与临床SQUID设备相当。OPM不需要低温，从而简化了传感器结构，并缩短了传感器到样品的距离。OPM的另一个优点是能够检测矢量磁场，而SQUID只能测量头皮表面径向的磁场分量。这种三轴检测可产生更高的总体信号强度，并有助于区分信号场和背景场。此外，随着OPM微型化技术的进步，OPM-MEG的原型也已建成，为实际应用铺平了道路。

基于光泵磁力仪(OPM)的脑磁图(MEG)。a)可穿戴式OPM-MEG原型。在测量过程中，受试者可以移动头部，例如受试者将网球从球棒上弹起。b)在球赛和休息时记录的Beta波段振荡频率谱图（左）和振幅（右）。c)带有63个传感器支架的灵活可穿戴OPM-MEG头盔。左图：多个传感器的叠加数据，显示滤波后的背景脑活动和发作间期癫痫样放电(IED)。右图：平均IED数据和尖峰处的磁场地形图。e)在环境条件下使用87Rb磁梯度仪测量的OPM磁心动图(MCG)。

要检测来自大脑的微弱磁场信号，必须抑制更强的磁场背景。这种抑制可通过磁屏蔽和电磁线圈的快速磁场补偿来实现。这种方法加上OPM-MEG头盔重量轻（约1千克），在人体MEG记录过程中，头部移动可达10厘米。它还允许受试者在记录MEG信号时从球棒上弹球或旋转头部。通过将两个OPM磁强计组合成一个一阶梯度仪，在没有磁屏蔽的环境条件下也可以进行MEG检测。

OPM不需要低温的另一个关键优势是，MEG头盔可以制作成适合任何头部大小。这种可能性对婴儿的神经成像特别有帮助，可在婴儿成长过程中进行长期研究。那些对笨重的SQUID MEG头盔望而生畏的受试者，以及其他在成像过程中无法保持静止的受试者，也可以接受MEG扫描。

基于OPM的MEG越来越多地应用于临床。OPM已被用于检测和定位癫痫儿童的局灶性发作间期尖峰。对于许多神经科学研究而言，检测大脑深部的信号也很重要。其中一个例子是人类的海马体，它对导航至关重要，已利用基于OPM的MEG进行了研究。另一项概念验证是利用通道OPM检测功能连接性，为大脑网络研究铺平了道路。此外，OPM已成功用于测量人类视网膜活动；与目前使用的纤维电极相比，OPM的使用是非接触式的。

OPM-MEG的另一项令人兴奋的成果是探测到了大脑中的人类视觉伽马波段活动。这些高频振荡被认为在认知功能中发挥着重要作用。OPM的高空间分辨率有助于活动源区域的定位，而目前使用的技术却很难做到这一点。

OPM还将为功能神经成像带来新的可能性。例如，神经科学家现在可以在受试者移动和执行感兴趣的任务时监测大脑活动。我们甚至可以设想将OPM-MEG与虚拟现实设备相结合。

OPM-MEG是一种相对较新的技术，在医院广泛应用之前还需要进一步改进。目前，使用OPM测量的本底噪声比SQUID高出三倍，这抵消了传感器到样本距离较小带来的灵敏度提高。迄今为止，用于MEG测量的OPM传感器阵列中组合了小于100个传感器，而典型的SQUID-MEG阵列则需要约300个传感器。要扩大OPM传感器阵列、以提供与基于SQUID的MEG相当或更高的分辨率，就需要抑制单个OPM之间的串扰。OPM社区正在努力应对这些挑战，并向商业化迈进。

OPM的另一个显著应用是MCG。在这种情况下，通过测量来自心脏的磁场，可以诊断与电活性心脏细胞相关的各种心脏疾病。与基于SQUID的探测器相比，OPM-MCG的主要优势在于其便携性、低成本和无电极应用。

如今，一些商用OPM-MCG设备已经面世。

单个细胞和组织可以产生磁场，例如神经元动作电位或细菌中的磁性纳米粒子链（磁小体）产生的磁场。磁标签也可以以磁性纳米粒子(MNP)，或自旋标签等形式引入生命系统。在所有这些情况下，都需要具有高灵敏度和高空间分辨率的生物兼容磁力计来测量磁场。

此类研究的一种常用方法是使用毫米级的金刚石芯片，芯片表面有一层薄薄的（微米级）集合NV色心；另一种常用方法是将含有NV色心的纳米金刚石注入或摄入细胞或组织，并对其进行功能化处理，例如靶向感兴趣的蛋白质。

- 磁性纳米粒子成像

对单个细胞进行标记、检测和定位有助于诊断应用，例如区分癌细胞和健康细胞。荧光标记通常用作标签，但往往会出现闪烁、光漂白和背景自发荧光等问题。磁性纳米粒子是磁性免疫测定技术的基础，这是一种新兴的补充诊断方式，与荧光标记相比具有潜在的优势：长期稳定性、背景信号可忽略不计和定量检测。

金刚石NV色心已被用于对各种生物样本中的MNP进行定量检测和宽场成像，具有微米级分辨率和毫米级视场。在早期的一次演示中，基于NV的磁显微镜被用于分辨和定量描述天然存在于趋磁细菌中的 MNP链（磁小体）。基于NV的磁显微镜还被用于检测癌症生物标记物。在这项研究中，SKBR3癌细胞被标记了HER2特异性MNP（HER2指人类表皮生长因子受体），从而可以区分健康细胞和癌细胞。这项技术现已投入商用，可用于人体血液和其他样本中生物标记物的诊断评估。

基于NV色心的生物样本磁感应。a)用于细胞磁成像的宽视场NV-金刚石显微镜。sCMOS，科学互补金属氧化物半导体。b)生物标记的宽场成像。左图：用磁性纳米粒子(MNP)标记并用荧光染料染色的SKBR3癌细胞的明视野图像与荧光图像叠加。右图：同一视场显示 MNP 标记细胞的 NV 磁成像。c)利用 NV-金刚石显微镜获得的天然血色素晶体的磁场图像。视场为39 × 39µm²。d)上图：NV-金刚石显微镜用于单神经元动作电位(AP)磁场测量的活体胶衣虫（Myxicola infundibulum，蠕虫）标本图像；下图：利用 NV-金刚石装置检测到的胶衣虫单神经元动作电位磁场信号的时间轨迹。

在另一项演示中，NV-金刚石磁性显微镜被用于研究疟疾血素纳米晶体，这种纳米晶体可作为疟疾的生物标记物。这些纳米晶体在被恶性疟原虫感染的人类血细胞中形成。在这项研究中，证实了血索素纳米晶体的顺磁性，并测量出其磁感应强度为3.4 ×10^-4，为针对疟原虫感染细胞进行药物筛选提供了可能。

在另一次演示中，基于NV的磁显微镜被用于检测COVID-19住院病人体内的磁标记蛋白质（白细胞介素-665）的浓度。白细胞介素-6 是一种与多种疾病（如严重的COVID-19）相关的内源性细胞因子。关键的思路是检测样本中磁珠的浓度，结果与成熟的Luminex检测技术有很好的相关性。这一成功证明了基于NV的显微技术在快速临床检测等方面的应用潜力。

- 单神经元动作电位测量

MEG是通过解释体内有效电流偶极源来研究宏观尺度上大脑活动的强大工具。我们希望了解这些有效电流偶极子与潜在神经元回路的关系。此类研究需要微创磁测量，测量范围从微米尺度的单细胞到毫米尺度的完整神经元回路。

基于NV的显微镜已被用于这一方向的概念验证测量。在这项研究中，浅层植入的金刚石NV色心被用来测量海洋蠕虫和乌贼单个神经元的动作电位。该研究实现 ~10 pT Hz^-1/2的磁场灵敏度。重要的是，该技术的亚毫秒级时间分辨率允许直接测量动作电位波形，包括动作电位沿神经元传播的方向，以及在整个活体动物中进行检测。这些在单神经元和神经元回路层面的研究将改进和验证用于电流偶极源重建的MEG假设，并可能因此提高MEG的分辨率。

- 用T1驰豫测量法检测自旋标签

测量NV的纵向弛豫时间(T1)对NV自旋转换频率（从兆赫兹到千兆赫兹）的磁噪声很敏感。这种方法可用于高灵敏度地检测磁性离子，如磁共振中最常用的对比剂Gd3+。NV色心可将这些造影剂的研究细化到单个细胞的尺度，如对标记了Gd3+离子的HeLa细胞质膜进行检测和成像，空间分辨率可达400纳米。使用NV扫描探针装置可进一步提高NV T1弛豫测量的分辨率，G2细胞内铁蛋白的空间分辨率为10纳米。

- 利用纳米金刚石进行生物磁感应

将非常小的生物样品（如细胞内的细胞器）靠近位于宏观金刚石芯片中的NV色心具有挑战性。目前正在研究含有 NV色心的纳米金刚石，作为此类应用的替代方法。纳米金刚石可插入细胞、组织和其他生物样本的内部。对纳米金刚石表面进行功能化处理还能使其靶向蛋白质或其他感兴趣的生物靶标。由于纳米金刚石的NV轴是随机定向的，因此很难使用相干技术（如光学检测磁共振，ODMR）进行灵敏的NV磁测量。不过，仍然可以使用NV T1驰豫测定法，从而检测金属蛋白、Gd3+自旋标记的脂质双分子层以及自旋标记分子的旋转布朗运动。

利用纳米金刚石中的NV色心进行T1弛豫测量的另一个应用是在纳米尺度上检测生物样本中的自由基。自由基的形成与心血管疾病和神经紊乱有关。自由基对免疫系统也起着至关重要的作用。因此，以亚细胞空间分辨率对自由基进行灵敏检测对了解生物过程具有深远影响。利用纳米金刚石中的NV色心进行T1弛豫测量可实现这种检测，最近已被用于研究单个线粒体和人类牙胞中的自由基。在这些实验中，面临的挑战是仔细分析自由基对NV T1的影响，并排除其他影响因素。

- 挑战与展望

基于NV的细胞和组织磁感应和成像技术面临的一个主要挑战是提高灵敏度，从而加快测量速度，实现神经元活动的实时绘图和生物样本的实时功能成像等。在此，我们将讨论一些提高灵敏度的关键机会：改进读出技术，包括提高读出保真度和尽量缩短NV自旋态初始化和读出时间；提高样品质量，包括增加单位金刚石传感体积的传感器自旋数量和延长退相时间；以及改进测量协议，如双量子磁测量。

提高读出保真度的技术包括自旋-电荷转换、使用与NV相耦合的核自旋作为量子存储器进行重复读出，以及通过各种形式的金刚石制造、定制透镜或导光板增强光子收集。尽管这些技术在单个NV测量中取得了巨大成功，但要将其应用于具有NV组合的大规模金刚石芯片，还需要做更多的工作。

在材料方面，高密度NV组合通常采用高压高温方法生长。最近，人们开始制备高质量的化学气相沉积(CVD)样品，包括在相对无氮的基底上生长薄氮气层。为了在这些层中最大限度地产生NV，通常会通过电子辐照来产生空位，从而产生密度高达4 ppm的NV组合。遗憾的是，高NV密度的CVD生长过程通常会引入额外的顺磁缺陷和应变，从而影响传感器的相干时间。目前正在开发减轻这些影响的方法。

对于距离金刚石表面几十纳米范围内的NV色心，与表面相关的电荷不稳定性和噪声会进一步降低NV性能。目前正在积极探索解决这一问题的方法，包括仔细的表面清洁和终止，以及对NV进行三角掺杂——即在薄表面层中产生 NV，然后再覆盖一层额外的金刚石层。生物医学应用的另一个挑战是结果的可重复性。为应对这一挑战，必须开发出清洁金刚石表面的配方，并在多轮实验中保持浅层NV色心的相干特性。

核磁共振谱(NMR)是一种广泛应用于化学、生物和医学领域的光谱工具，用于确定有机和生物分子的结构。该技术通常依赖于热极化核自旋的检测；为此，需要应用几特斯拉量级的大磁场。传统NM 的一个主要局限是灵敏度低，通常需要毫米级的样品。

将NMR光谱扩展到微米级和纳米级样品将带来令人兴奋的应用。例如，它可以对昂贵或难以合成的质量有限的样品进行化学分析。此外，对单细胞体积进行NMR光谱分析可实现对细胞结构和功能的详细研究，并可应用于代谢组学和疾病诊断。将核磁共振缩小到纳米尺度也将使单个蛋白检测成为可能，从而为在接近生理条件下确定功能膜蛋白的结构并研究其动态提供了可能性。膜蛋白是美国食品药物管理局批准的半数以上药物的靶标，对蛋白质分子结合的实时研究将有助于药物发现。

- 基于NV的NMR

基于NV的磁力测量技术的出现，使得在环境条件下对纳米级和微米级样品进行NMR光谱分析成为可能。在纳米尺度上，基于NV的NMR可从样品自旋的大统计极化中获益，而在微观尺度上，热极化则占主导地位，通常需要通过高磁场和超极化方法进一步增强。NV色心的一个特点是磁场感应带宽大，从d.c.到千兆赫不等。因此，使用相同的实验装置可以检测多种核自旋甚至电子自旋，而无需像传统核磁共振和电子顺磁共振光谱那样更换射频设备。

氮空位(NV)中心核磁共振(NMR)。a)单NV和NV组合NMR设置。b,c)NMR检测NV色心所用的脉冲序列：XY8-k（XY8是具有X和Y相移的微波脉冲序列，重复k次，b部分）和相干平均同步读出（CASR，c部分）。d)由NV组合检测到的NMR光谱，显示已解析的化学位移。e)插图：在原子力显微镜尖端的富氟微球上蚀刻的光栅图像。主图：球体在NV色心移动时，单个NV色心检测到的NMR光谱的线扫描。

- 性能指标

对于基于NV的NMR来说，关键的性能指标是光谱仪的空间分辨率、光谱分辨率和灵敏度。空间分辨率或传感体积与NV色心的（深度）数量级相当，通常在(4 nm)³ 至(10 µm)³ 之间，可根据具体应用进行选择。对于NV组合测量，空间分辨率还受到激光光斑尺寸的限制。反之，灵敏度的考虑因素与上一节讨论的基于NV的磁性传感类似。在纳米尺度上，1秒积分的单质子自旋探测已经得到证实；而在微尺度上，1秒积分的热极化质子自旋（约10皮升）探测已经得到证实。

要分辨特定分子的共振，如化学位移和J耦合，需要约百万分之一（绝对频率单位赫兹量级）的高光谱分辨率。这一分辨率已通过不同技术实现。可实现的光谱分辨率受到NV色心和样品的限制。来自NV色心的限制取决于应用的传感序列：动态去耦合可实现~1 kHz的光谱分辨率，但受到NV T2时间的限制。相关光谱法可将分辨率进一步提高到~100 Hz，但受到NV T1时间的限制。通过记忆自旋增强传感技术，甚至可以进一步提高光谱分辨率，但受限于NV氮核自旋的T1时间，该时间可能大于260秒。另一种方法是相干平均传感步骤，然后与外部时钟同步。

在样品方面，物理扩散（液体）或自旋扩散（固体）往往是限制因素。液体中的快速平移扩散将粘性液体的光谱分辨率限制在~1 kHz，并使低粘度液体无法检测。这个问题可以通过将样品限制在纳米级体积内来解决。对于固态样品，偶极-偶极拓宽是限制因素，而异核和同核解耦有助于提高分辨率。此外，基于NV的多维NMR还有助于重建生物分子的化学结构。在一项原理验证实验中，相对于单个NV色心，27个¹³C自旋被定位在金刚石晶格中。基于NV 的NMR还被应用于金刚石外部的样品，以1 kHz的光谱分辨率检测单个蛋白质就证明了这一点。

- 超极化(Hyperpolarization)

超越热平衡的自旋极化通常是通过将极化从更容易极化的电子自旋转移到目标核自旋来实现的，它可以增强核磁共振信号，从而提高检测灵敏度。基于Overhauser机制的动态核极化和基于副氢的可逆交换信号放大(SABRE)被用来将质子自旋超极化到0.5%，从而使基于NV的NMR信号增强约2 ×10⁵，并能在低至1毫摩尔浓度下探测到目标分子。NV自旋还可以作为超极化源，因为它们可以通过光泵浦很好地极化。通过这种技术，周围的¹³C核自旋在7T时被极化为热值的约720倍。

遗憾的是，外部自旋超极化尚未得到证实。这是由于金刚石表面体积比较低、近表面NV的自旋相干时间缩短以及靠近金刚石表面的核自旋T1时间较短。世界各地的实验室正在努力应对这些挑战，例如通过更好地控制金刚石表面和实现具有更好相干特性的高密度浅层NV。

- 纳米级和微米级磁共振成像

基于NV的NMR的全部潜力在生物样品成像时得以展现，因为它可以揭示纳米级到微米级的化学成分变化。在微观尺度上，磁共振成像(MRI)可通过带有一组NV色心的宽场装置来实现，扫描探针系统可用于磁共振成像，其空间分辨率可高达约10纳米。

由于NV色心在纳米尺度上的高灵敏度，NV也被认为是研究表面化学的一种有前途的工具。金刚石表面的功能化对这些应用非常重要，因为它可以固定靠近NV色心的分子，并利用NV色心进行表面NMR检测。

- 未来发展

基于NV的传感器可对纳米级和微米级样品进行NMR光谱分析，并在特定条件下检测化学位移和J偶联，这一点已得到公认。尽管取得了这一进展，但基于NV的NMR仍面临几大挑战：

- 要对某些样品（如质量有限的样品）进行高通量NMR筛选，就必须将其纳入微流体技术；

- 要确定单个分子的结构，就需要更高的灵敏度；

- 最好能通过扫描探针技术或表面处理，在单个NV色心附近确定单个（生物）分子的位置；

- 最后，通过减少样品扩散和设计新的脉冲序列来提高光谱分辨率将大有裨益。

随着这些技术的进一步发展，基于NV的NMR功能将超越传统技术，并为化学以及分子和细胞生物学开辟许多途径。在多维光谱和自旋标记技术的辅助下，基于NV的纳米级NMR将能在接近生理的条件下确定复杂分子（如跨膜蛋白质）的结构。此外，宽视场核磁共振成像具有亚细胞空间分辨率，可用于单细胞代谢组学研究。

另一个应用是将基于NV的核磁共振与荧光团标签的光学显微镜相关联，这对单分子研究非常有用。最终目标是让非物理学家也能使用这些技术。为实现这一目标，工具的微型化非常重要。随着最近的发展和进一步的集成，芯片级NV光谱仪可能很快就会成为现实。

- 基于NV的量子测温

前面几节重点讨论了磁场传感的应用，而量子传感器也可以对一系列其他环境影响敏感，从而提供与生命科学相关的丰富传感模式。在本节中，我们将讨论量子传感器在磁场传感之外的一项生物应用：利用纳米金刚石中的NV进行体内纳米级测温。这种方式可以局部探测细胞和小型生物体内与温度相关的各种生物现象，包括外部热梯度和内部发热的影响，为控制细胞周期和生物体发育提供了工具。

与磁场传感一样，基于NV的量子测温也依赖于微波转换频率随温度变化的变化，这种变化源于金刚石的热膨胀。NV自旋与主晶格之间的振子相互作用会产生随温度变化的零场分裂，接近室温时的斜率约为-74 kHz K^-1。为了优化灵敏度，同时尽量减少对其他效应的敏感性，通常采用四点测量方案。温度还可以通过发射光谱和强度的变化以纯光学方式测量，从而对结果进行多模态验证。

利用纳米金刚石中的氮空位(NV)中心进行测温。a)NV能级图，自旋量子数ms = 0,±1，与温度相关的零场分裂D(T)，通常用于测温。b)利用NV进行噪声稳健温度测定的四点测量方案。c)早期胚胎阶段AB和P1两个细胞之间的热梯度，由红外激光局部加热产生。

纳米金刚石量子传感器非常适合用于细胞和小型生物体内的高空间分辨率温度传感。与传统温度探针相比，纳米金刚石量子传感器具有纳米级、稳定性和生物相容性。此外，纳米金刚石量子传感器还为使用荧光纳米粒子或蛋白质进行的纳米级发光测温提供了一种补充工具，因为荧光纳米粒子或蛋白质存在校准问题、漂白或易受频率依赖性光传输影响。量子传感利用微波跃迁之间的相干性，降低了对光学传输和其他环境因素的敏感性。

可以在纳米金刚石中创建NV色心，通常采用NV组合的形式，以进一步提高灵敏度。这种纳米金刚石的尺寸通常在50-100纳米左右，但也有尺寸更小但光学和自旋性能更差的纳米金刚石。经过适当的表面处理后，这些纳米金刚石可被输送到单个细胞中。对于某些细胞类型（如HeLa细胞），自然吸收就足够了，而对于其他细胞类型（如卵细胞），注射技术可能是首选。

虽然经过适当处理的纳米金刚石大多没有细胞毒性或细胞毒性较低，但一些研究表明它们可在器官中长期存留，这促使人们对其影响进行进一步的长期研究。同位素纯化的超纯块状金刚石的NV温度灵敏度约为5 mK Hz^-1/2。然而，由于应变效应和表面污染，纳米金刚石的灵敏度较低。在典型的生物环境中，NV纳米金刚石的温度灵敏度约为1 K Hz^-1/2，与其他技术相当。

- 纳米级温度测量的应用

灵敏的纳米尺度测温技术为生命科学应用提供了多种可能性，尤其是与红外激光照射诱导的局部外源加热相结合时。激光加热已被用于探索温度升高的直接生化效应（如加速细胞生长或蛋白质变性）、热休克蛋白启动子的表达以及对细胞和生物体发育的热效应。在一项结合了红外加热和纳米金刚石传感器的早期原理验证实验中，研究了诱导HeLa细胞死亡的加热阈值温度。

最近，在秀丽隐杆线虫的胚胎发育过程中，局部温度控制和监测被用于控制和逆转细胞发育周期。纳米金刚石还被探索用作热治疗的体内温度校准工具。基于NV的测温技术的其他可能应用包括纳米级热传导测量以及内源发热。

- 挑战

尽管目前的技术已经取得了令人印象深刻的成果，并揭示了温度对生物过程的作用，但仍然存在相当大的挑战。

首先，要准确测量绝对温度变化，就必须在存在内部应变、杂散磁场、细胞空间移动以及微波和光学加热的情况下对量子传感器进行精确的体内校准。其次，尽管将纳米金刚石纳入活细胞的技术已相当成熟，但仍需在表面功能化和纳米金刚石合成方面开展更多工作，以便在亚细胞水平上靶向特定细胞器。第三，尽管纳米金刚石传感器的温度灵敏度可与其他技术媲美，但仍需进一步改进。这些改进包括使用混合纳米金刚石-MNP方案、材料改进、用于T2限制NV相干测量的自旋回波技术（而不是目前的 T2* 限制测量）和先进的读出方法。

在过去十年中，量子传感器领域取得了巨大发展：从早期的原理验证实验发展到生物医学领域的实际应用。

事实上，这些发展已经促进了几家利用上述案例研究中讨论的技术的新创公司的成立。其中包括 QuSpin、CercaMagnetics和FieldLine Inc.，专注于OPM-MEG技术的商业化；ODMR Technologies，专注于用于化学痕量分析的、基于NV的磁共振光谱；Quantum Diamond Technologies Inc. (QDTI)，专注于疾病生物标记的宽场 NV 磁成像；以及NVision Imaging Technologies，专注于用于分子分析和医学成像的基于NV的核自旋超极化。

尽管存在着大有可为的机遇，但仍然存在着许多挑战，可能需要多个学术领域和产业界之间的合作。一方面，正如基于NV的光学磁成像和核磁共振光谱案例研究中所讨论的，目前量子传感器的灵敏度可能需要通过新的传感协议和材料开发相结合来进一步提高。另一方面，这些技术的进一步集成和微型化，以实现在现实条件下的可扩展性和易操作性，将是获得广泛接受和商业成功的关键。

通过这些改进，我们期待量子传感器成为生物医学系统表征和诊断的关键工具。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s42254-023-00558-3

[2]https://www.cercamagnetics.com/cerca-opm-meg

[3]https://genetesis.com

[4]https://qdti.com/

[5]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.0c00737