磁控微型机器人助力精准操控细胞内量子传感器

将纳米钻石与微型机器人集成，构建可移动的量子传感平台。图片来源：Eklavy Vashist

活细胞的环境柔软而粘稠，导致像量子传感器这类纳米级粒子难以自由移动，从而限制了其在生物体系中的应用。印度科学研究院（IISc）的研究团队成功开发出一种创新技术，通过磁性微型机器人操控量子传感器在细胞内部等高粘性环境中的移动，为实现无创、实时的生物参数测量提供了新的路径。

在Ambarish Ghosh教授领导的研究中，纳米钻石被用作量子传感器，其内含有氮空位（NV）缺陷。这种缺陷结构在金刚石晶格中由氮原子替代碳原子，并伴随一个相邻的空位，形成了稳定的量子自旋态。该自旋态对外界环境的变化高度敏感，特别是温度和磁场的变化，能够通过扰动自旋态并反映在荧光信号中。

通过激光激发纳米钻石，研究人员可以读取荧光信号，从而推断出细胞内部的物理参数。但要实现精准测量，首先需要将传感器精准地定位到目标区域。过去依赖于光学镊子的方法虽然有效，但高能激光可能造成细胞损伤。

IISc团队提出了一种新的解决方案：将磁控微型机器人与纳米钻石传感器结合。该微型机器人由含铁材料制成，在外部旋转磁场作用下可实现定向运动。其螺旋结构将旋转运动转化为线性位移，使传感器可在三维空间中自由移动。这种方法避免了传统光学方法对细胞的热损伤和光毒性。

在纳米尺度下，布朗运动是另一个干扰因素，容易导致传感器方向漂移，影响信号稳定性。而借助磁控微型机器人，研究人员能够精准控制纳米钻石的方向，从而有效抑制噪声并提升信号质量。

为了确保量子传感器的精度不受磁场干扰，研究人员通过精确控制纳米钻石与磁性微型机器人之间的距离，将二者间隔大约一微米。这一设计显著降低了磁性对传感器自旋态的干扰，同时保留了磁控的操控能力。

研究第一作者Eklavy Vashist指出，这种结构设计并非显而易见，而是在反复实验与建模中逐步优化得出的。

“这种技术不仅提升了量子传感器在活体系统中的适用性，还为研究细胞内部过程，例如活性氧（ROS）的动态变化提供了新工具，”Ghosh表示。

相关研究成果发表于《先进功能材料》期刊，论文题为《磁性机动量子传感器》（DOI:10.1002/adfm.202527479）。

期刊信息：Advanced Functional Materials

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