【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發(fā)展、孔飛等人在量子精密測量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，利用單個納米金剛石內(nèi)部的氮-空位色心(Nitrogen-Vacancy center, NV center)進(jìn)行量子傳感，克服顆粒隨機(jī)轉(zhuǎn)動問題，在原位條件下探測到了溶液中順磁離子的磁共振譜。該項研究成果以“In situ electron paramagnetic resonance spectroscopy using single nanodiamond sensors”為題，發(fā)表在《Nature Communications》上。
 

　　在生理原位條件下對分子進(jìn)行探測解析，是生命科學(xué)領(lǐng)域的一個重要目標(biāo)。只有在生理原位條件下對生物分子進(jìn)行觀察，才能獲知其實現(xiàn)生理功能時的構(gòu)象變化等信息，幫助解決細(xì)胞信號通路、藥物靶點識別等重要問題。磁共振技術(shù)兼容生理環(huán)境，可以進(jìn)行原位的無損探測，也可以通過自旋標(biāo)記等手段，從細(xì)胞內(nèi)雜亂的背景信號中選擇性地探測目標(biāo)分子的共振譜，是最有可能實現(xiàn)生理原位探測的方法。傳統(tǒng)磁共振譜儀所進(jìn)行的是系綜分子探測，而NV 色心量子傳感器可以在室溫大氣條件下對單分子進(jìn)行磁共振檢測，避免系綜平均導(dǎo)致的單分子譜線特征缺失，具有獨到的優(yōu)勢。并且NV色心的載體是金剛石，它的性質(zhì)穩(wěn)定，也具有生物兼容性，因此近年來有不少研究將含有NV色心的熒光納米金剛石用作細(xì)胞內(nèi)的長壽命熒光標(biāo)記。得益于其靈敏度高、生物兼容性好的特點，NV色心量子傳感器非常適合用于生理原位的探測，利用納米金剛石中的NV色心，有望實現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)的原位磁共振探測。
 

　　然而， 在活細(xì)胞內(nèi)追蹤納米金剛石運動的結(jié)果表明，它在細(xì) 胞內(nèi)部和細(xì)胞膜上都會隨機(jī)轉(zhuǎn)動 ，導(dǎo)致 NV 色心感受到的有效 操控微波場 強(qiáng)度發(fā)生隨機(jī) 變化 ，讓當(dāng)前通用的磁共振探測方式失效。 為了解決這一問題， 研究團(tuán)隊設(shè)計了幅度調(diào)制序列，用這種序列會在NV色心上產(chǎn)生一系列等間隔的能級，間隔大小只由調(diào)制頻率決定，與有效操控場強(qiáng)度無關(guān)，序列示意圖及共振原理簡圖如圖1所示。當(dāng)NV色心的能級與被測目標(biāo)的能級匹配時，便會發(fā)生共振，使NV色心的狀態(tài)發(fā)生改變。通過掃描調(diào)制頻率，便可以獲取目標(biāo)的磁共振譜，譜峰位置不再受NV色心的空間取向影響。
 

圖1：幅度調(diào)制序列及其原理
 

　　上圖為幅度調(diào)制序列示意圖，下圖為共振條件示意圖。

 

　　這種序列會在NV色心上產(chǎn)生一系列等間隔的能級，間隔大小為調(diào)制頻率f，以黑色箭頭標(biāo)示。實驗中掃描調(diào)制頻率f，使其與被測目標(biāo)的能級ω匹配，發(fā)生共振。
 

　　本工作在原位條件下，對納米金剛石所處溶液環(huán)境中的離子進(jìn)行了順磁共振譜測量。為了模擬納米金剛石在細(xì)胞內(nèi)的運動，研究人員用長鏈分子將納米金剛石“拴”在基底上，限制其平動范圍，但保留轉(zhuǎn)動自由度。這種納米金剛石可以深入目標(biāo)內(nèi)部進(jìn)行探測，實驗中選定被測目標(biāo)為氧釩離子溶液。當(dāng)納米金剛石存在轉(zhuǎn)動時，難以對NV色心進(jìn)行精確的量子操控，但應(yīng)用幅度調(diào)制微序列，依然能夠測得氧釩離子的零場順磁共振譜，實驗示意圖和結(jié)果如圖2所示。這一結(jié)果從原理上證明了用納米金剛石中的NV色心實現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)生理原位磁共振探測是可行的。
 

圖2：實驗設(shè)置及測量結(jié)果
 

　　上圖為納米金剛石模擬生理原位條件時，實際進(jìn)行的實驗示意圖。下圖中，圓點為運動的單個納米金剛石探測到的氧釩離子順磁共振譜，紅線是對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的結(jié)果，藍(lán)線為理論模擬結(jié)果。

 

　　本工作所探測的氧釩離子本身具有生物學(xué)功能，用運動的單個納米金剛石所測到順磁共振譜可分析獲取氧釩離子的超精細(xì)常數(shù)，今后有可能用于推斷氧釩離子所處的局域環(huán)境。未來通過改善微波輻射結(jié)構(gòu)效率、提升納米金剛石性質(zhì)等方法，將能進(jìn)一步提升測量速度，將這一方法推向?qū)嶋H應(yīng)用。該研究團(tuán)隊此前已經(jīng)實現(xiàn)固態(tài)環(huán)境單分子磁共振檢測[Science. 347, 1135–1138 (2015)]，通過技術(shù)提升，將檢測條件放寬至水溶液環(huán)境[Nat.Methods. 15, 697–699 (2018)]，這項工作又進(jìn)一步推進(jìn)至原位環(huán)境[Nat.Commun. 14, 6278 (2023)]，該方向系統(tǒng)性的研究成果逐步向著實現(xiàn)細(xì)胞原位的單分子尺度微觀磁共振邁進(jìn)。
 

　　中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室博士研究生秦卓楊、王哲成為該論文的共同第一作者，杜江峰院士、石發(fā)展教授和孔飛特任研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院和安徽省的資助。(中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室 物理學(xué)院 中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院 科研部)