論文の概要: Probing cellular activity via charge-sensitive quantum nanoprobes
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2503.20816v1
- Date: Tue, 25 Mar 2025 18:11:43 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-03-28 12:50:54.503024
- Title: Probing cellular activity via charge-sensitive quantum nanoprobes
- Title（参考訳）: 電荷感受性量子ナノプローブによる細胞活性の探索
- Authors: Uri Zvi, Shivam Mundhra, David Ovetsky, Qing Chen, Aidan R. Jones, Stella Wang, Maria Roman, Michele Ferro, Kunle Odunsi, Marina C. Garassino, Michael E. Flatte', Melody Swartz, Denis R. Candido, Aaron Esser-Kahn, Peter C. Maurer,
- Abstract要約: 窒素空孔(NV)をベースとした量子センサは、リアルタイム単一セルセンシングに大きな可能性を秘めている。
細胞活動の変化を検知できる新しい量子センシングモダリティを導入する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.659752095035888
- License:
- Abstract: Nitrogen-vacancy (NV) based quantum sensors hold great potential for real-time single-cell sensing with far-reaching applications in fundamental biology and medical diagnostics. Although highly sensitive, the mapping of quantum measurements onto cellular physiological states has remained an exceptional challenge. Here we introduce a novel quantum sensing modality capable of detecting changes in cellular activity. Our approach is based on the detection of environment-induced charge depletion within an individual particle that, owing to a previously unaccounted transverse dipole term, induces systematic shifts in the zero-field splitting (ZFS). Importantly, these charge-induced shifts serve as a reliable indicator for lipopolysaccharide (LPS)-mediated inflammatory response in macrophages. Furthermore, we demonstrate that surface modification of our diamond nanoprobes effectively suppresses these environment-induced ZFS shifts, providing an important tool for differentiating electrostatic shifts caused by the environment from other unrelated effects, such as temperature variations. Notably, this surface modification also leads to significant reductions in particle-induced toxicity and inflammation. Our findings shed light on systematic drifts and sensitivity limits of NV spectroscopy in a biological environment with ramification on the critical discussion surrounding single-cell thermogenesis. Notably, this work establishes the foundation for a novel sensing modality capable of probing complex cellular processes through straightforward physical measurements.
- Abstract（参考訳）: 窒素空孔(NV)をベースとした量子センサーは、基礎生物学および医学診断における遠縁な応用によるリアルタイム単一細胞センシングに大きな可能性を秘めている。
非常に感度が高いが、量子測定の細胞生理状態へのマッピングは、依然として例外的な課題である。
本稿では,細胞活動の変化を検知できる新しい量子センシングモダリティを提案する。
提案手法は,未計算の逆双極子項によりゼロフィールドスプリッティング(ZFS)の系統的な変化を誘導する粒子中の環境誘起電荷減少の検出に基づく。
これらの電荷による変化はマクロファージのリポ多糖(LPS)による炎症反応の信頼できる指標となる。
さらに, ダイヤモンドナノプローブの表面改質は, これらの環境誘起ZFSシフトを効果的に抑制し, 温度変化などの他の無関係な影響から環境が引き起こす静電気シフトを識別するための重要なツールを提供する。
特に、この表面改質は、粒子による毒性と炎症を著しく減少させる。
生物学的環境下でのNVスペクトルの系統的ドリフトと感度限界に光を当てた。
特に、この研究は、簡単な物理的測定によって複雑な細胞過程を探索できる新しいセンシングモダリティの基礎を確立している。
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