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Widefield Nanodiamond Quantum Sensing Based on Light-Sheet Microscopy

本文提出了一种利用光片显微技术进行宽场量子传感的方法，旨在克服纳米钻石在生物应用中高通量与低光毒性之间的权衡，从而实现快速、三维且高灵敏度的光学检测磁共振成像，并最大限度地减少离焦照明。

原作者： Ren-Bao Liu, Shuo WANG, Ming-Zhong Ai, Jing-Wei Fan, Junchen Ye, Chao Lin, Quan Li

发布于 2026-06-25

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原作者： Ren-Bao Liu, Shuo WANG, Ming-Zhong Ai, Jing-Wei Fan, Junchen Ye, Chao Lin, Quan Li

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ⚕️ 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。阅读完整免责声明

想象一下，你正试图在一间非常嘈杂、拥挤的房间里（一个活细胞），聆听一个微小的、低声细语的无线电台（一个纳米钻石）。问题在于，以往的方法为了听到这些细语，必须打开一盏巨大的、令人眩目的聚光灯，让光线淹没整个房间。虽然这有助于你听到无线电，但强光也会烧坏家具并吓跑房间里的人，最终导致整个房间瓦解。

这篇论文介绍了一种聪明的新方法，让你可以在不烧毁房屋的情况下，聆听这些微小的无线电台。

问题所在：“泛光灯” vs. “手电筒”

研究人员正在使用含有被称为氮-空位（NV）中心特殊缺陷的纳米钻石进行研究。你可以把这些纳米钻石想象成能够放入活细胞中的微型、超灵敏的温度计和磁传感器。为了读取它们的数据，科学家通常会向它们照射激光。

旧方法（宽场成像/Widefield）： 想象一下通过窗户向整个房间投射一盏巨大的泛光灯，同时照亮整个房间。这种方法很快，但会产生很多“噪声”（来自细胞其他部分的背景光），更重要的是，它会用过多的光“烹饪”细胞（光毒性）。细胞会感到压力并迅速死亡。
共聚焦方法（逐点扫描/Confocal）： 想象你使用一支微小的激光笔，在房间里逐点进行扫描。这种方法很温和，但绘制整个房间的图谱需要耗费极长时间，因此你无法观察快速移动的过程。

解决方案：“光片”

由香港中文大学研究人员领导的团队开发了一种称为**光片显微成像技术（LSM）**的系统。

类比：
想象细胞是一条面包。

旧方法要么让整条面包都浸泡在水中（泛光灯），要么试图戳破每一个单独的碎屑（逐点扫描）。
光片法就像是用一片非常薄、扁平的光片穿过面包，像切肉片机一样进行切割。你只照亮你当前正在观察的那一薄层。

工作原理

切片： 他们从细胞侧面射入一层薄薄的、扁平的绿色激光片。这个光片大约只有 1.5 微米厚（比人类头发还要细）。
观察： 他们从上方（垂直于光片的方向）观察细胞。因为光只照射他们正在观察的那一层，所以他们不会看到来自细胞其余部分的模糊、发光的混乱景象。
扫描： 他们上下移动这个光片，逐层切片穿过细胞，从而快速构建出 3D 图像。

他们的发现

利用这种“光片”方法，该团队实现了三个主要成就：

听得更清（更高的灵敏度）： 因为光片忽略了细胞的其他部分，所以没有背景噪声。这就像是在一个安静的房间里聆听细语，而不是在嘈杂的派对上。他们发现，测量细胞内部的温度变化比以前准确得多。
触碰更轻（更少的损伤）： 这是最大的胜利。因为他们没有用光猛烈轰击整个细胞，细胞能存活得更久。
- 测试： 当他们使用旧的“泛光灯”方法时，所有细胞在 20 分钟内就会死亡。使用“光片”法时，细胞可以保持健康超过一小时，有些甚至在被监测期间存活了三个小时。
3D 绘图： 他们可以对细胞内的纳米钻石进行 3D“拍照”，精确显示它们在什么位置以及那个特定位置的温度，而不会伤害到细胞。

“弛豫测量（Relaxometry）”的小技巧

他们还发明了一种测量细胞内磁噪声（具体称为 $T_1$ 弛豫）的方法。你可以把这想象成检查那些微小的无线电台是否变得越来越“疲劳”。他们使用了一种特殊的脉冲光（就像快速闪烁一下）而不是持续的光束。这对比细胞更加温和，使他们能够连续 三小时 观察同一个活细胞而不致其死亡。

核心结论

这篇论文并不声称现在就能治愈疾病或诊断患者。相反，它为科学家研究活细胞提供了一个更温和、更清晰的工具。它让科学家能够以 3D 方式观察细胞内部发生的事情，且持续数小时之久，而不会因为显微镜的“手电筒”光芒而杀死他们试图研究的对象。这就像是从一把大锤升级到了一把手术刀，用于观察生命体内部。

技术摘要：基于光片显微术的宽场纳米金刚石量子传感

问题陈述
含有氮-空位（NV）中心的纳米金刚石（NDs）是强大的生物应用量子传感器，具有生物相容性、亚微米分辨率以及检测温度、磁场、电场和压力的能力。然而，在活细胞传感领域存在一个关键瓶颈：高吞吐量测量与低光毒性之间的权衡。光检测磁共振（ODMR）是 NV 中心标准的读取方法，它需要连续的激光照射。传统的宽场 ODMR 会照亮整个样本体积，导致显著的离焦激发，从而引发光毒性（氧化应激、线粒体功能障碍和 DNA 损伤），限制了长期细胞活性。相反，共聚焦 ODMR 虽然通过点扫描降低了光毒性，但其体积传感速度过慢，且无法捕获多个 ND 之间同时的空间相关性。全内反射荧光（TIRF）虽然减少了激发体积，但将传感限制在表层，丢失了 3D 信息。

方法论
为了解决这些局限性，作者开发了一种集成光片显微术（LSM）与 ND-ODMR（LSM-ODMR）的宽场量子传感平台。

光学配置： 该系统采用侧向安装的照明物镜，将薄的二维激光片（用于 NV 激发的 532 nm 绿光）投影到样本平面中。荧光由正交方向的检测物镜收集，并由科学级 CMOS（sCMOS）相机捕捉。
扫描机制： 光片可在 $z$ 轴方向垂直移动，实现光学切片和 3D 体积扫描，而无需移动样本本身。
样本处理： 为了最大限度地减少来自盖玻片的光学像差，贴壁细胞样本被放置在倾斜角度。微波辐射通过天线传输，以操纵 NV 自旋态。
传感模式： 该系统支持：
1. ODMR 热测量术： 通过监测零场分裂参数（ $D$ ）的变化来监测温度。
2. $T_1$ 弛豫测量术： 一种使用脉冲激光序列测量自旋-晶格弛豫时间的宽场技术，对磁噪声和活性氧（ROS）敏感。

核心贡献

LSM-ODMR 集成： 首次展示了基于 LSM 的宽场 ODMR 系统用于活细胞量子传感，结合了高吞吐量与光学切片能力。
降低光毒性： 通过消除离焦激发，与传统的宽场照明相比，该系统显著降低了传递给生物样本的激光剂量。
增强灵敏度： 光学切片能力抑制了离焦背景荧光（来自细胞自发荧光或染色剂），从而提高了信噪比和测量灵敏度。
3D 多点传感： 该平台支持在 3D 体积内对多个 ND 进行同步的空间相关测量，克服了点扫描方法的局限性。

结果

系统表征： 光片厚度表征约为 1.5 $\mu$ m (FWHM)，在 24 $\mu$ m 侧向范围内保持了优于 2.1 $\mu$ m 的轴向分辨率，足以对整个 HeLa 细胞进行成像。
琼脂胶中的 3D 成像与传感： 使用嵌入在琼脂胶中的 NDs，该系统实现了 3D 成像和同步多点温度传感。单个 ND 的温度灵敏度测量约为 2.9 K $\sqrt{\text{Hz}}^{-1}$ ，78 个 ND 的中值灵敏度为 4.47 K $\sqrt{\text{Hz}}^{-1}$ 。
活细胞灵敏度对比： 在经 BCECF 染色的 HeLa 细胞中，在相同的功率密度（~5 $\mu$ W $\mu$ m $^{-2}$ ）下，LSM-ODMR 展示了优于传统宽场照明（8.87 K $\sqrt{\text{Hz}}^{-1}$ ）的灵敏度（4.07 K $\sqrt{\text{Hz}}^{-1}$ ）。LSM 方法有效地减轻了来自染料的背景干扰。
光毒性评估： 在相同的激光功率密度下，接受 LSM 照明的 HeLa 细胞在长达 60 分钟内仍保持存活（仅观察到一例死亡），而宽场照明下的细胞在 20 分钟内即死亡。
长期监测：
- ODMR： 系统成功监测了一个小时内的细胞内温度变化，ND 衍生的温度趋势与外部电阻温度检测器（RTD）的读数高度吻合。
- $T_1$ 弛豫测量术： 开发并应用了一种用于活细胞的宽场 $T_1$ 弛豫测量法。对细胞内 NDs 的 $T_1$ 值进行了持续监测，长达三小时未检测到显著变化，证实了实验期间的细胞活性。

意义
论文声称，这种基于 LSM 的纳米金刚石传感平台为需要低光毒性和高空间分辨率的生物研究提供了一种稳健的方法。通过消除离焦照明，该系统将活细胞的可监测窗口延长至数小时，从而能够研究如细胞分裂的有丝分裂期等延长的生理过程。执行同步、3D、多模态传感（温度和 $T_1$ ）并具备空间相关性的能力，为定量、长期研究动态细胞内过程（如追踪自由基水平或亚细胞水平的温度波动）开辟了新途径，且不会产生与单点测量或高光毒性相关的伪影。作者指出，虽然高斯光片面临衍射极限，但未来的实现可以利用非扫描式 Airy 光片来进一步优化性能。