随着金刚石氮-空位(NV)中心量子传感器的发展，中国科学技术大学杜江峰院士团队提出并实验实现了在金刚石NV磁显微镜中对肿瘤组织的微米级分辨率磁成像，对肿瘤生物标志物进行磁成像和量化。这种方法为生物组织的微米级分辨率磁共振成像打开了大门，并有可能影响癌症的研究和组织病理学。相关成果将于2月1日在《美国科学院院报》(PNAS)发表。

　　研究人员建立了一个光学检测磁共振(ODMR)宽场显微镜(图1A)，通过检测金刚石NV中心的连续波(CW)光谱来实现肿瘤组织磁共振成像(图1B)。

　　在密度为2×1012/cm2的金刚石顶面，NV传感器体积约为1×1×0.1μm3，磁场检测灵敏度约为10μT/√Hz。空间分辨率约为1微米，视场(FOV)为0.5×0.5毫米。

　　研究人员用20纳米大小的超顺磁性纳米粒子(MNP)标记组织的靶膜蛋白，并将标记的组织附着到金刚石表面(图1C)。MNP被沿着NV轴的外部施加磁场B0磁化，而来自MNP的局部磁场BMNP将CW光谱的峰值位置移动了γeBMNP的量级(图1B)。NV中心上BMNP的大小取决于MNP的密度以及与NV的距离。细胞和组织中MNP的典型磁信号约为20μT，这个装置可以检测到。通过检测频移的大小，可以推断出信号强度和目标蛋白在组织中的分布。研究人员模拟了细胞表面随机分布的MNP的磁场信号和MNP标记组织的磁模式(图1D)。MNP标记蛋白的原始表达可以通过深度学习模型进行重建，生物标志物的表达强度可以用绝对MNP密度进行量化。

　　本文报告了四项技术进步，以实现易于使用的肿瘤组织鲁棒IMM，包括1)将生物标志物的表达强度量化为绝对磁强度，2)使用深度学习算法重建磁图像，3)使用磁性纳米粒子(MNP)免疫磁性标记组织样本，以及4)在靠近金刚石的大面积上附着组织切片，以满足NV中心的有限检测范围。

　　在他们开发的IMM中，磁性被用作除了光和质量之外的另一种物理量。IMM方法具有精确的绝对磁量化能力，具有良好的信号稳定性和可忽略的磁背景。此外，相关的IMM和HE染色对于研究肿瘤微环境和异质性具有重要意义。多功能IMM可以扩展到多种癌症和其他生物过程和疾病的组织学检查，例如心脏病、炎症和神经系统疾病。这项工作为人类疾病的组织学检查提供了一种有吸引力的方法，补充了现有的组织成像方法，丰富了磁共振技术。

　　除了病理组织之外，这个基于NV的磁显微镜还能够在组织水平上以亚微米或亚细胞分辨率对动物磁感受中的各种MRI造影剂、磁性粒子和磁性分子进行成像、量化和分析。

　　论文链接：https://www.pnas.org/content/119/5/e2118876119