利用金刚石中氮-空位中心对顺磁物种进行动态量子传感

天然存在的顺磁物种（PS），如自由基和顺磁金属蛋白，在包括代谢、细胞信号传导和免疫反应在内的众多关键生理过程中发挥着重要作用。这些高度动态的物种也可作为多种疾病状态的内源性生物标志物，而靶向生物分子特定位点的合成顺磁探针则能够用于研究功能信息，如活体系统中的组织氧合和氧化还原状态。本文介绍的工作描述了一种新的传感方法，该方法利用金刚石中氮-空位中心系综的光致发光（PL）的自旋依赖性发射，对活体系统中的 PS 进行快速、无损检测。独特的是，这种方法涉及简单的测量方案，即评估施加与不施加微波时的 PL 对比度。该方法被证明可检测溶液中的顺磁盐浓度以及广泛使用的磁共振成像造影剂钆布醇，在 100 微米 x 100 微米的视场范围内检测限低于 10 阿托摩尔。通过 20 毫秒的图像曝光时间，演示了对顺磁盐浓度变化的实时监测。此外，通过低自旋氰根配位 Fe3+ 在酸性条件下转化为六水合 Fe3+ 的过程，演示了对化学反应的动态追踪。最后，在环境条件下，利用含有钆标记磷脂的脂质膜，在数分钟量级的时间内，演示了以亚细胞分辨率对模型细胞中的顺磁物种进行成像的能力。总的来说，这项工作引入了一种新的传感方法，用于在宽场格式下实现快速、灵敏的 PS 成像，该方法易于部署在生物医学环境中。