基于金刚石的量子传感显微镜提供了量化细胞力的有效方法

细胞依靠与其微环境的持续相互作用和信息交换来确保其生存并执行生物学功能。因此，精确量化从皮牛顿到几个纳牛顿的微小细胞粘附力对于理解细胞中力调节的复杂性至关重要。

在过去的几十年中，已经成功开发了多种测量细胞粘附力的方法。目前，牵引力显微镜(TFM)、光/磁镊子和基于分子张力的荧光显微镜(MTFM)等几种领先技术被广泛用于测量细胞力。

然而，这些技术在灵敏度和数据解释方面具有显着的局限性，这阻碍了我们全面理解机械生物学的能力。此外，MTFM技术受到荧光团光漂白的随机性的阻碍。

因此，有必要开发一种能够以无荧光标记的方式准确测量细胞粘附力的新技术。这对于推动机械生物学领域至关重要。

香港大学电机与电子工程学系储志勤教授和四川大学魏强教授领导的项目应用无标记量子传感技术测量纳米尺度的细胞力。这克服了传统细胞力装置的局限性，并为研究细胞力学(包括细胞粘附力对癌细胞扩散的影响)提供了新的见解。

研究小组开发了一种新型量子增强金刚石分子张力显微镜(QDMTM)，为研究细胞粘附力提供了一种有效的方法。与利用荧光探针的细胞力测量方法相比，QDMTM有潜力克服诸如光漂白、有限灵敏度和数据解释模糊性等挑战。此外，QDMTM传感器可以清洗和重复使用，从而提高了比较不同样品的细胞粘附力的绝对精度。

这种新方法从根本上改变了研究细胞与细胞或细胞与材料相互作用等重要问题的方式，对生物物理学和生物医学工程具有重大意义。该研究结果发表在《科学进展》上，题为“用于量化细胞力的量子增强金刚石分子张力显微镜”的文章。

研究团队通过将细胞力诱导的聚合物(充当力传感器)的延伸与NV的纵向弛豫时间结合起来开发了QDMTM。金刚石中NV中心电子自旋的独特量子特性是QDMTM前所未有的灵敏度和精度的基础。

这项创新的独特之处在于使用了“力传感器”，它是一种力响应聚合物，能够将机械信号转换为磁信号。通过测量磁噪声引起的NV自旋弛豫时间的变化，可以确定细胞对“力传感器”施加的粘附力。现有的测量技术无法有效测量纳米尺度的随机磁信号。

创新的QDMTM技术提供了一种研究细胞粘附力的有效方法。通过他们的研究，研究人员能够成功区分处于各种粘附状态的细胞，并发现不同细胞区域的细胞力的大小与之前的发现一致。

这表明QDMTM方法能够准确测量细胞粘附力。他们研究的下一阶段重点是将量子传感器从块状金刚石扩展到纳米级金刚石颗粒，这将允许测量任何方向的细胞力。