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这篇综述聚焦基于纳米金刚石（NDs）的传感技术。该技术利用纳米金刚石中的氮空位（NV）中心，检测细胞力、自由基等生物信号，还可用于药物递送。它在生物医学领域潜力巨大，能助力疾病诊断和治疗，为生命科学研究提供新视角。
基于纳米金刚石的传感：生物传感器在捕获活细胞中难以捉摸的生物信号方面的革命
细胞作为复杂的生化反应器，持续产生众多生物信号，像离子浓度变化、细胞信号分子、膜电位波动以及温度变化等。这些信号对细胞的分子活动和动态过程意义重大，从 DNA 转录、翻译到细胞分裂、迁移都与之相关，并且在机体层面也发挥着关键作用，影响胚胎发育和肌肉收缩等现象。然而，许多生物信号微弱且存在于复杂的细胞环境中，传统检测技术在灵敏度、稳定性和特异性方面存在局限，难以精确检测。
纳米金刚石，尤其是含有氮空位（NV）中心的纳米金刚石，为检测这些难以捉摸的生物信号带来了新希望。它具有独特的量子特性、出色的光稳定性、良好的生物相容性以及易于功能化的特点，不仅能用于生物成像和传感，还可应用于药物递送等领域。
基于 NV 中心的金刚石传感技术
- 金刚石基传感器：金刚石的 NV 中心所在的晶格中，杂质原子替代碳原子形成点缺陷，能吸收特定波长光并产生荧光。其中，带负电的 NV?中心在量子传感和生物成像领域应用广泛。金刚石本身具有高机械稳定性、生物相容性、化学惰性、热导率和透明度等优良特性，是量子传感的理想平台。根据物理尺寸，用于生物传感的金刚石可分为纳米金刚石和体金刚石。纳米金刚石尺寸在几纳米到几百纳米之间，生物相容性好且表面功能潜力大；体金刚石由高温高压（HPHT）或化学气相沉积（CVD）合成，适合宽场传感。不过，天然金刚石中 NV 中心密度低且分布随机，人工植入 NV 中心可解决这一问题，但浅 NV 中心存在电荷不稳定、受磁和电子噪声影响等问题，合适的表面功能化（如引入羟基、羧基等氧终止基团）可提高其稳定性。
- 基于光学性质的传感：NV 中心可在 450 - 637nm 的宽波长范围内被激发，绿色激光（532nm）因其激发效率高而被常用。被激发后，NV 中心会发射 600 - 800nm 的宽带荧光光谱，其零声子线（ZPL）在 637nm 左右，ZPL 的宽度和强度可反映颜色中心的局部环境，用于监测纳米级温度波动。此外，NV 中心的激发效率与激发激光的偏振相关，通过分析荧光偏振曲线可确定 NV 轴的方向。
- 基于自旋性质的传感：NV 中心的能量级结构使其在金刚石晶格中形成自旋 - 1 系统，具有自旋三重态基态。在无外磁场时，ms = ±1 状态的能级合并，施加外磁场后会发生塞曼分裂。光学检测磁共振（ODMR）技术利用 NV 中心的荧光监测其自旋状态变化，可在很宽的温度范围内应用。连续波 ODMR（CW - ODMR）和脉冲模式 ODMR（pulsed - ODMR）都可用于测量磁场和温度，本文主要介绍 CW - ODMR，它在方法复杂性和测量准确性之间达到了较好的平衡。此外，NV 中心的纵向弛豫时间（T1）和横向弛豫时间（T2）也具有重要意义，T1 反映自旋系统恢复到热平衡的速率，T2 决定了测量交变磁场时的灵敏度，且与氮浓度有关，NV 中心在纳米级 NMR 光谱学和成像中也有应用潜力。
基于纳米金刚石的生物信号传感在诊断和治疗中的应用
- 细胞力：细胞在动态环境中会受到多种外力，自身也会产生力来维持组织的结构和功能。精确测量细胞力对理解细胞行为、组织力学、疾病发展和治疗效果至关重要。传统测量细胞力的方法，如使用可变形水凝胶、微制造基板等技术，在检测分子力动力学方面存在局限；单分子张力显微镜（SMTM）虽能测量特定蛋白质受力，但设备要求高、通量低；分子张力荧光显微镜存在信噪比低、荧光团光漂白和力校准困难等问题。基于金刚石的力传感技术为解决这些问题提供了新途径，如量子增强金刚石分子张力显微镜（DQMTM）利用 NV 色心的 T1 弛豫测量技术，能精确测量细胞粘附力，且无需荧光团，克服了传统方法的一些弊端。此外，利用 NV 中心的光学偏振选择性激发特性，可高精度监测纳米金刚石的面内旋转运动，用于量化细胞扭转力。虽然基于金刚石的传感器在细胞力测量领域尚处于起步阶段，但具有很大的发展潜力。
- 自由基：自由基是组织中通过非酶和酶促反应产生的高反应性分子，内源性自由基主要来源于内质网、线粒体等细胞器，其中活性氧（ROS）是代谢反应中产生的重要自由基。适量的 ROS 对细胞有益，但过量则会损害生物分子，与细胞衰老、癌症、心血管疾病和神经退行性疾病等多种疾病相关。因此，在细胞内分子水平上长期定量测量 ROS 十分重要。传统检测自由基的方法，间接法无法提供损伤发生的详细信息，直接法使用的荧光或自旋标记存在细胞毒性、稳定性差以及不能反映实时情况等问题。基于金刚石的自由基传感器通过测量金刚石中 NV 中心的 T1 来监测 ROS，具有生物相容性好、灵敏度高、空间分辨率高、化学稳定性好以及能进行长期动态测量等优势。该传感器已用于测量吞噬细胞中自由基的产生，研究外部环境因素对细胞内自由基的影响，在癌症、神经退行性疾病、病毒感染和抗菌机制研究以及药物筛选等方面也发挥着重要作用。
- RNA 和 DNA：RNA 和 DNA 在疾病诊断和治疗中具有重要作用，聚合酶链反应（PCR）是常用的检测技术，可扩增特定 DNA 序列，但存在易产生假阴性结果、实验流程复杂、对设备要求高以及耗时耗力等缺点。目前市场对高精度、快速的即时核酸检测技术需求迫切。基于纳米金刚石（FNDs）的生物传感器在核酸检测方面展现出优势，将其作为荧光标记用于纸微流体侧向流动分析（LFAs），可通过选择性自旋调制有效区分信号与背景，实现高灵敏度检测。FNDs 还可作为量子传感器检测磁信号，结合外部磁标记能提高检测的灵敏度和精度，已用于检测 SARS - CoV - 2 等病毒的 RNA，且在确定细胞内单 DNA 和 RNA 的结构方面也有潜力。
- 温度：温度对生物体的生理功能有着深远影响，在细胞层面，温度变化会引起基因表达的适应性改变，激活某些离子通道，还与线粒体氧化代谢速率相关。然而，目前对细胞内温度变化的物理原理了解有限，传统的纳米尺度荧光测温技术存在诸多问题，如光漂白、长期监测受限、校准困难，且易受多种因素影响导致测量误差。FNDs 在温度测量方面具有高灵敏度、高空间分辨率、荧光性能好、生物相容性好以及稳定性高等优势。已通过实验实现了对细胞内温度的定量检测、宽场温度映射以及体内实时温度监测，还可用于研究细胞内的热传递和耗散过程，如测量细胞膜的热稳定性、细胞内热导率等，在光热疗法（PTT）中也有应用。但混合测量可能会对样本造成热损伤，可采用解耦传感等方法解决这一问题。
基于纳米金刚石的纳米载体设计及药物递送应用
- 形态控制：控制纳米金刚石的大小和形状对其作为纳米载体的性能至关重要。50nm 左右的纳米金刚石最易被细胞摄取，可通过爆轰合成或化学气相沉积（CVD）等方法制备特定尺寸的纳米金刚石，爆轰合成成本低、可扩展，但粒径分布较宽，需进行后处理；CVD 可精确控制粒径，形态明确。此外，纳米金刚石的表面形态会影响其在细胞内的定位，如圆形度低的纳米金刚石更易逃离膜结合囊泡。可通过聚焦离子束（FIB）技术、空气氧化等方法控制纳米金刚石的形态，空气氧化法具有高产率、低成本的优势。
- 表面功能化：纳米金刚石的表面功能化可增强其胶体稳定性、生物相容性，并拓展其功能。通过化学反应可在纳米金刚石表面引入各种功能基团，如化学解聚法可制备带羧基的纳米金刚石，维持其表面负电荷，防止聚集并便于进一步修饰；涂层亲水聚合物或糖类可提高其溶解性和细胞摄取率，还可实现对癌细胞的特异性靶向。物理方法如超声处理也可用于增强纳米金刚石的功能化。
- 药物递送：经过表面功能化和形态控制的纳米金刚石可作为合适的纳米载体用于药物递送，其荧光特性可用于实时监测药物在细胞内的递送和分布。纳米金刚石 - 药物递送系统可响应内源性刺激（如过表达受体和 pH）或外源性刺激（如超声、磁场和光）实现对肿瘤细胞的选择性靶向。例如，基于内源性刺激的纳米金刚石 - 药物共轭物可利用肿瘤细胞的特殊环境实现靶向；基于外源性刺激的纳米金刚石 - 药物系统，如超声、磁场和光增强的药物递送，能提高药物的治疗效果。
展望
基于纳米金刚石的传感技术在生物应用领域取得了显著进展，可实现从细胞到分子水平的检测，灵敏度优于许多传统技术。其在基础细胞研究、早期疾病诊断以及实时监测治疗反应等方面具有广阔的应用前景。然而，该技术也面临一些挑战，如纳米金刚石的性质存在差异导致性能不一致，脉冲技术在细胞内应用时受纳米金刚石运动影响等。通过标准化制造方法确保纳米金刚石性质均匀，开发先进的脉冲序列实时跟踪细胞内的纳米金刚石，可提升技术的准确性和可靠性。此外，物理和化学修饰可进一步挖掘纳米金刚石在传感和药物递送方面的潜力，如表面功能化增强细胞摄取和特异性，优化 NV 密度提高信噪比。未来，纳米金刚石技术的小型化将带来更多机遇，可开发便携式诊断设备和植入式传感器，还可与其他纳米材料结合构建多功能混合系统，推动生物医学科学的发展，为人类健康事业做出更大贡献。
