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背景簡介

       光、電、熱和磁等都是生命科學(xué)測量中涉及到的重要物理量，其中使用zui廣的是光學(xué)成像。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，光學(xué)成像尤其是熒光成像，ji大拓展了生物醫(yī)學(xué)研究的視野。然而，光學(xué)成像往往受限于生物樣品中的背景信號、熒光信號不穩(wěn)定、較難絕對定量等不足，一定程度制約了其應(yīng)用。磁共振成像（MRI）是一種不錯(cuò)的替代方案，由于其可穿透、低背景和穩(wěn)定等特點(diǎn)，在一些重要生命科學(xué)場景下有很廣泛的應(yīng)用，如顱腦、神經(jīng)、肌肉、肌腱、關(guān)節(jié)以及腹盆腔臟器病變的檢查。雖然MRI有望解決光學(xué)成像的上述不足，但是卻受限于低靈敏度和低空間分辨率，很難應(yīng)用于組織水平微米至納米級分辨率的成像。 

圖一 核磁共振檢查（圖片來源于百度）

      近年發(fā)展起來的一種新興量子磁傳感器——金剛石中的氮-空位色心（NV色心，一種金剛石體內(nèi)的發(fā)光點(diǎn)缺陷）基于NV色心的磁成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)微弱磁信號的探測，分辨率可達(dá)納米級且具有非侵入性，這為生命科學(xué)領(lǐng)域提供了靈活兼容性高的磁場測量平臺，這對開展免疫與炎癥、神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病、生物磁感應(yīng)、磁共振造影劑、等領(lǐng)域的組織水平研究和臨床診斷，尤其對于含有光學(xué)背景、光透過差和需要量化分析的生物組織具有獨(dú)特優(yōu)勢。 

NV磁成像技術(shù)簡介

      基于NV色心的磁成像技術(shù)主要由兩種：掃描磁成像和寬場磁成像。掃描磁成像是與AFM技術(shù)相結(jié)合，該技術(shù)使用的是單色心金剛石傳感器，成像方式是一種單點(diǎn)掃描式的成像，具有ji高的空間分辨率與靈敏度，但成像速度與成像范圍制約了該技術(shù)在某些方面的應(yīng)用。寬場磁成像則是使用系綜金剛石傳感器，高濃度的NV色心相比于單個(gè)NV色心而言，雖然降低了空間分辨率，但是其在寬場、實(shí)時(shí)成像方面卻表現(xiàn)出巨大的潛力。在細(xì)胞磁成像領(lǐng)域研究，后者可能更合適。 

NV寬場磁成像技術(shù)在細(xì)胞領(lǐng)域研究中的應(yīng)用案例

應(yīng)用一：趨磁細(xì)菌磁成像

      趨磁細(xì)菌（Magnetotactic bacterium）是一類在外磁場作用下能作定向運(yùn)動(dòng)并在體內(nèi)形成納米磁性顆粒－磁小體（Magnetosome）的細(xì)菌，其主要分布于土壤、湖泊和海洋中。

      研究者通過將細(xì)菌放置在金剛石表面，利用光學(xué)方法探測NV色心量子自旋態(tài)，可快速重建細(xì)菌中的磁小體產(chǎn)生的磁場矢量分量的圖像。寬場磁成像顯微鏡可以在亞微米分辨率和大視場情況下對多個(gè)細(xì)胞同時(shí)進(jìn)行光學(xué)成像和磁成像。這項(xiàng)工作為高空間分辨率條件下成像活細(xì)胞內(nèi)的生物磁結(jié)構(gòu)提供了新的方法，并將使細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的廣泛磁信號的映射成為可能。

圖二 趨磁細(xì)菌的磁成像研究

（圖片來源：D. L. Stage et al. Optical magnetic imaging of living cells Nature, 2013, 496(7446): 486-489)

應(yīng)用二：巨噬細(xì)胞鐵攝取磁成像

      巨噬細(xì)胞（Macrophages）主要功能是以固定細(xì)胞或游離細(xì)胞的形式對細(xì)胞殘片及病原體進(jìn)行噬菌作用（即吞噬以及消化），并激活淋巴球或其他免疫細(xì)胞，令其對病原體作出反應(yīng)。巨噬細(xì)胞屬免疫細(xì)胞，有多種功能，是研究細(xì)胞吞噬、細(xì)胞免疫和分子免疫學(xué)的重要對象。

      基于NV色心的寬場磁成像技術(shù)具有亞微米分辨率和納特斯拉靈敏度，研究人員對小鼠動(dòng)物細(xì)胞和組織中的磁場進(jìn)行了成像，如圖三所示。通過觀測巨噬細(xì)胞鐵攝取和以小鼠為模型的組織樣本中肝的鐵過載探測證明了該技術(shù)的實(shí)用性。此外，研究者還探測了活細(xì)胞中的磁性顆粒內(nèi)吞作用。這種方法彌補(bǔ)了 MRI 體素與其微觀成分之間的差距。

圖三 巨噬細(xì)胞鐵攝取磁成像研究

（圖片來源：H. C. Davis et al. Mapping the microscale origins of magnetic resonance image contrast with subcellular diamond magnetometry, Nature Communications, 2018, 9:131)

應(yīng)用三：免疫磁標(biāo)記細(xì)胞磁成像

      癌癥是目前導(dǎo)致人類死亡zui多的疾病之一，對癌癥分子機(jī)理的研究和臨床早期精 確診斷是有效治療的礎(chǔ)。

圖四 肺癌組織的磁成像研究

(圖片來源：S. Y. Chen et al. Immunomagnetic microscopy of tumor tissues using quantum sensors in diamond, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2022,119: e2118876119)

      國內(nèi)，中國科學(xué)技術(shù)的大學(xué)發(fā)展了組織水平的免疫磁標(biāo)記方法，通過抗原-抗體的特異性識別，將超順磁顆粒特異標(biāo)記在腫瘤組織中的PD-L1等靶蛋白分子上，接著將組織樣品緊密貼附在金剛石表面，然后利用金剛石中分布在近表面約百納米的一層NV色心作為二維量子磁傳感器，在400 nm分辨率的NV寬場顯微鏡上進(jìn)行磁場成像（圖四），在毫米級的視野范圍里達(dá)到微米級空間分辨率，zui后通過深度學(xué)習(xí)模型重構(gòu)磁場對應(yīng)的磁矩分布，為定量分析提供基礎(chǔ)。 

      國外，哈佛史密斯天體物理中 心采用了免疫磁標(biāo)記技術(shù)與NV寬場磁成像技術(shù)，對癌細(xì)胞與健康細(xì)胞的磁成像技術(shù)做了對比，表征了改成像技術(shù)的實(shí)用性，為生物醫(yī)學(xué)在細(xì)胞檢測領(lǐng)域提供了重要手段。

圖五：免疫磁標(biāo)記細(xì)胞磁成像研究

圖片來源:(D. R. Gleen et al. Single-cell magnetic imaging using a quantum diamond microscope, Nature Methods, 2015, 12(8): 736-738.)

應(yīng)用四：細(xì)胞鐵蛋白磁成像

       除上述寬場磁成像技術(shù)外，也有研究者們使用NV掃描磁成像技術(shù)研究細(xì)胞磁成像。2019年，中國科技大學(xué)微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對細(xì)胞中的鐵蛋白做了研究，首先研究人員使用高壓冷凍-冷凍替代方法將活細(xì)胞瞬間固定并包埋，然后用切片的方法將細(xì)胞剖開，并用基于鉆石刀的超薄切片技術(shù)將表面修整成納米級平整度。這時(shí)，存在于細(xì)胞內(nèi)部的蛋白質(zhì)暴露在細(xì)胞剖面上，可以與鉆石傳感器近距離接觸。通過對樣品進(jìn)行掃描，研究人員觀測到了細(xì)胞內(nèi)部存在于細(xì)胞器中的鐵蛋白，分辨率達(dá)到了10 nm。

圖六：NV掃描磁成像研究鐵蛋白細(xì)胞

（圖片來源：P.F.Wang et al. Nanoscale magnetic imaging of ferritins in a single cell, Science advances, . 2019;5: eaau8038）

量子鉆石系列產(chǎn)品

      國儀量子同時(shí)具備量子鉆石顯微鏡和量子鉆石原子力顯微鏡，兩款設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)定量無損的微觀磁場成像。量子鉆石顯微鏡具有空間分辨率高（400 nm）、視野范圍大(1 mm*1 mm)、成像速度快等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、地質(zhì)研究、芯片檢測等領(lǐng)域。量子鉆石原子力顯微鏡具有空間分辨率高（10 nm）、高靈敏度（1 T/Hz1/2）、兼容室溫大氣和超高真空環(huán)境的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于磁疇成像、二維材料、拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)、超導(dǎo)磁學(xué)等領(lǐng)域。 

圖七：量子鉆石顯微鏡

圖八：量子鉆石原子力顯微鏡（室溫版、低溫版）

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