《Advanced Science》：Quantum Photothermal Self-Monitoring Fiber Probes for In Vivo Photothermal Therapy
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金刚石氮空位（NV）中心的光热特性使其可同时实现荧光发射与局域加热，但传统自由空间量子系统存在光热效率有限（通常<4°C/mW）与微波集成不足（体积较大）的问题。研究人员开发了一种微型化量子光热光纤探针，采用新型金属/聚合物/玻璃复合光电光纤，可同时传导
金刚石氮空位（NV）中心的光热特性使其可同时实现荧光发射与局域加热，但传统自由空间量子系统存在光热效率有限（通常<4°C/mW）与微波集成不足（体积较大）的问题。研究人员开发了一种微型化量子光热光纤探针，采用新型金属/聚合物/玻璃复合光电光纤，可同时传导光波与GHz频段微波辐射。通过在光纤尖端集成微米级金刚石，该探针实现了增强的光热转换（13°C/mW，温度范围25°C–120°C），同时通过温度依赖的零场分裂测量提供实时自监测，在微米尺度达到0.2°C的热分辨率。这种可规模化制备的平台代表了一类兼具高热效率与精确温度反馈的生物相容性量子传感器，其在体内脊髓损伤修复中的应用——通过可控热刺激促进修复——已得到验证。
本研究由暨南大学等团队完成，发表于《Advanced Science》，针对金刚石氮空位（NV）中心在光热治疗领域的集成瓶颈展开攻关。研究背景显示，NV中心虽可通过光探测磁共振（ODMR）实现纳米级磁学、温度等参数测量，但其激光激发过程伴随声子介导的能量转化会产生局域加热，形成“加热器-温度计”双重功能。然而，传统自由空间耦合架构受限于光热转换效率低（通常<4°C/mW）、无法兼容光学不可达环境，且现有光纤集成方案依赖外部微波天线，难以实现微创、高精度热干预。为此，研究人员开发了基于多材料光电光纤的量子光热自监测探针，首次将NV中心的双功能与光纤波导集成，实现了高效光热转换与实时温度反馈的统一，并在大鼠脊髓损伤模型中验证了治疗潜力。
关键技术方法包括：1. 多材料光电光纤制备：通过热拉制工艺将105 μm直径玻璃多模光纤作为光芯、50 μm铜电极作为微波传输线、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为包层，实现单根光纤内光波与微波的共传输；2. 光纤尖端金刚石集成：将约105 μm直径含NV中心的金刚石固定于光纤端面，构建全光纤器件；3. 量子热传感校准：通过ODMR光谱测量温度依赖的零场分裂（ZFS）偏移，建立-80 kHz/°C的灵敏度系数，实现0.2°C分辨率的温度监测；4. 体内模型验证：采用大鼠T10节段脊髓挫伤模型，植入探针进行为期5天的每日热疗，通过CatWalk步态分析与Basso-Beattie-Bresnahan（BBB）评分评估运动功能恢复。
研究结果如下：
2.1 量子光热原理
NV中心的基态（3A2）与激发态（3E）间存在自旋三重态能级，其中约30%的非辐射跃迁通过单重态（1A、1E）弛豫，将~23.6%的激发能量转化为晶格声子产生局域加热；同时，零场分裂参数D随温度变化发生线性偏移（-80 kHz/°C），通过ODMR光谱追踪共振频率即可实现实时测温，形成“加热-传感”双机制。
2.2 量子光热光纤
通过粘度匹配的热拉制工艺制备出直径850 μm的光电光纤，其光传输损耗<2%（0–60 cm长度），微波反射系数S11为-14.63 dB（~2.87 GHz），机械刚度仅1200 N/m，可弯曲编织。光纤尖端金刚石在532 nm激光激发下产生637 nm零声子线（ZPL）特征荧光，验证了NV中心的有效集成与荧光收集效率（0.029%）。
2.3 量子光热生成与监测
在空气中，探针光热转换效率达13°C/mW，7.4 mW激光可实现95°C温升；ODMR光谱噪声分析显示温度检测限为0.2°C，加热/冷却时间常数分别为1.32 s与1.38 s，动态响应无滞后。COMSOL模拟表明热量集中于金刚石尖端，100 μm处温度可在0.63 s内升高65°C，证实局域加热特性。
2.4 体外组织光热消融
在鸡胸组织中，探针仍可实现69.1°C的消融温度（6.1°C/mW效率），较传统激光疗法所需功率降低27倍，且无需外部测温设备即可实现±0.2°C精度调控。
2.5 体内脊髓损伤修复
在大鼠脊髓损伤模型中，探针植入后每日施加精准热疗（36°C–40°C，精度<0.5°C）。CatWalk分析显示治疗组足底接触面积与垂直峰值力均高于对照组（仅植入探针无激光照射），BBB评分呈持续升高趋势，提示热疗可促进运动功能恢复。与临床脊髓损伤热疗要求对比，该探针在温度范围、控制精度、空间分辨率等指标上均满足应用需求。
讨论与结论部分指出，本研究突破了传统光热探针“加热-测温分离”的限制，首次将量子传感与光热治疗融合于单根光纤，实现了17–100倍于现有纳米材料探针的光热转换效率，并完成了首个量子光热探针的体内应用验证。研究建立了“量子诊疗一体化”新范式，为微创肿瘤消融、神经修复等领域提供了兼具高精度、高安全性与临床可行性的技术平台。未来通过优化光纤直径（目标50–100 μm）可进一步提升微创性，推动临床转化。
