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科技前沿 | 金刚石NV色心探针用于脊髓损伤诊疗
发布时间:
2026-06-19
科技前沿 | 金刚石NV色心探针用于脊髓损伤诊疗
近日，暨南大学与粤港澳中枢神经研究院联合团队在《Advanced Science》上发表论文《用于体内光热治疗的量子光热自监测光纤探针》（Quantum Photothermal Self-Monitoring Fiber Probes for In Vivo Photothermal Therapy），介绍了一种生物相容性极好的基于NV色心的微型量子光热光纤探针，兼具高热效率与精确的温度控制功能，能够通过热刺激来促进脊髓损伤的修复。
金刚石NV色心
金刚石氮-空位色心（NV色心）的电子自旋态可被光学调控，能够用于磁场、温度、压力、电场等物理量的高灵敏度、高空间分辨率探测。不过，激光激发过程不可避免地会通过声子介导的能量转换产生局部加热现象，这便使得NV色心同时具有纳米级加热和测温的双重功能。
NV色心的双光热效应源于其独特的能级跃迁以及分裂性质，如图所示。NV色心的电子体自旋系包含三重态（|0＞、|±1＞）基态（3A2）、三重态激发态（3E），以及单重态（1A,1E）。其中|0＞的基态电子被绿色激光激发后会跃迁至激发态，同时保持自旋极化状态，激发态电子通过声子辅助机制（ZFS效应）弛豫后，多余能量以红色荧光光子的形式释放出来。
而|±1＞的基态电子被激发后，会有约30%的概率进入1A/1E单态，再经无辐射弛豫返回基态，自旋极化状态切换至|0＞。这一过程中，约有23.6%的激发能量（0.55eV/光子）转化为晶格声子耗散，从而产生局部加热效应。由于ZFS效应与温度相关，导致ODMR光谱的中心频率发生漂移，因此可以通过ODMR光谱分析实现实时温度检测，由此实现加热与检测的双重功能。下图为不同环境温度下的ODMR光谱，以及中心频率随温度的变化情况（虚线所示）。
量子光热光纤探针设计
在本项工作中，团队采用新型的金属/聚合物/玻璃复合光纤，并在光纤尖端嵌入微米级的金刚石颗粒，这种微型化的量子光热光纤探针能够同时传输光波和微波辐射，实现了更高的光热转换效率（13℃/mW，温度范围为25℃至120℃）。此外，该探针还具备实时自监测功能，可实现微米级空间分辨率的温度测量，其热分辨率高达0.2℃，可以产生可控的热刺激来促进脊髓损伤的修复。
该探针所使用的复合光纤以直径105微米的商用玻璃多模光纤作为光学纤芯，外层同心包覆甲基丙烯酸甲酯（PMMA），光纤中内嵌两个直径为 50 微米的平行铜电极，最后通过热拉伸工艺将金刚石NV色心与光纤结合在一起。
其中玻璃芯则充当低损耗的光波导，而铜电极则负责微波的传输。聚甲基丙烯酸甲酯包层则具有双重功能：既能在导电路径与光传输路径之间起到电气绝缘的作用，又能通过其粘性特性来确保光纤的机械稳定性。这一设计使得光波和微波的传输功能能够完美地集成在单根光纤中。
体外组织光热消融技术
首先，团队利用鸡胸肉组织进行了体外消融实验，以验证该光纤探针的生物热调节功能。当探针插入组织后，随着激光功率的不断增加，光纤与组织接触处的温度也随之上升，该系统在7.4毫瓦的输入功率下就能实现超过60摄氏度的温度升高。这一光热转换效率是传统激光疗法的27倍。这一突破得益于NV色心在能量聚集方面的优势，以及金刚石材料在热管理方面的出色性能。
体内脊髓损伤的修复过程
高热疗法通过局部加热来调节细胞反应，从而促进组织再生，被认为是一种治疗脊髓损伤的有效方法。光纤高热疗法通过植入体内的光纤来精确传递热能，从而有效减轻脊髓损伤的后续危害，并有助于恢复患者的感官运动功能。由于光纤高热疗法具有微创性，且能够实现实时温度监测，因此有望成为脊髓损伤治疗中的有效手段。
团队将量子光热光纤探针长期植入大鼠的脊髓损伤部位，对其实施高热疗法，并在术后定期对大鼠的运动功能恢复情况进行了系统性的评估。结果表明接受原位光热治疗的实验组大鼠在行走时，脚底与地面的接触面积有所增加，同时，所承受的垂直力也有所上升。这些定量数据表明，实验组的大鼠具有更强的负重能力以及更好的运动协调性，并且实验组大鼠的运动恢复情况随治疗周期持续显著提升。
上述结果表明，通过量子光纤技术进行有针对性的热疗处理，确实能在创伤后脊髓功能的恢复过程中带来显著的积极效果，充分展现了金刚石NV色心量子测量技术在生物医疗领域的应用潜力。
原文链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.75733
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