冯建东教授课题组NSR：开发“量子膜片钳”技术实现活细胞多物理场测量
细胞中的能量转换和信息传递，通常被认为是伴随着局部微小物理场的变化。原位实时地对这些物理场的变化从而对细胞中的物化过程进行挑战测量极限的观察是生命科学领域中的一个重要目标，这将有以前所未有的视角为人们提供细胞中生命过程最细致、最准确的认知。
1976年提出的膜片钳技术实现了单细胞/亚细胞水平的微弱电流信号的测量，基于膜片钳的电生理学为神经科学家提供了强有力的研究工具。然而，细胞内的生命过程不仅仅引起电学信号的变化，还涉及到如局部温度、局部ROS浓度、局部电磁场等多物理场信号的变化，对这些细胞多生理学信号进行测量仍然是一项巨大的挑战。
基于固态自旋的量子传感技术，如金刚石NV色心，可对周围环境进行感知。其通常由晶格中具有自旋性质的缺陷和杂质构成，具有原子级的尺寸和极高的测量灵敏度，这对于实现高空间分辨率和高灵敏度的测量而言非常有利。由于纳米金刚石良好的生物相容性，含有NV色心的纳米金刚石在细胞内测量中的应用相比其他量子传感体系具有天然的优势。然而，现有技术难以在活细胞内量子传感器的精准可控操纵，这极大地阻碍了单细胞内任意位点的量子传感的实现，进而阻碍了细胞内全局多物理场测量和时空分辨的活细胞量子多生理学的发展。
近日，冯建东教授课题组开发了用于活细胞量子多生理学测量的“量子膜片钳”技术，发表在《National Science Review》，论文第一作者为化学系博士生徐扬，通讯作者为冯建东教授。这一技术的关键在于通过电学捕获技术将含有NV色心的单个纳米金刚石集成到玻璃纳米电极尖端，使NV色心能够以三维纳米级的分辨率定位到活细胞中，同时可对感兴趣的任意位置细胞多生理学信号进行测量。作者用这种量子膜片钳探针在对活细胞内的不同位点的温度异质性进行了测量，并开发了时间分辨的测量方案，对细胞内自由基水平引起的局部电磁噪声变化进行了捕捉。在细胞内的不同位点中，作者观察到了一些准周期性振荡和信号波动，这潜在地反映了活细胞内的复杂生理过程
这项工作的主要贡献总结如下：
实现了从膜片钳电生理学到量子膜片钳细胞多生理学的跨越：首次用含NV色心的纳米金刚石在单个活细胞中实现纳米级空间控制的量子传感，定位精度达到4.5 nm。
生理环境下细胞内动力学的多位点测量：利用这种量子膜片钳探针对细胞不同内位点温度和电磁噪声水平进行测量，观察到了由于局部生理活动导致的多物理场异质性，以及动态测量中的准周期振荡以及波动，这种尚未报道的现象与细胞内的生理活动相关。这一结果也展现了基于量子膜片钳技术有能力推动细胞内新现象、新机制的发现，为单细胞生物学的研究提供强有力的研究工具。
本工作得到国家自然科学基金及新基石科学基金会等资助支持。
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文字：冯建东教授课题组
编辑：黄珍珍、邹尔纯
审核：林旭锋