中國(guó)科大發(fā)展納米金剛石量子傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)原位溶液磁共振譜測(cè)量
日前，中國(guó)科大中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、石發(fā)展、孔飛等人在量子精密測(cè)量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，利用單個(gè)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(dòng)問(wèn)題，在原位條件下探測(cè)到了溶液中順磁離子的磁共振譜。該項(xiàng)研究成果發(fā)表在《Nature Communications》上。 ??hJEE
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在生理原位條件下對(duì)分子進(jìn)行探測(cè)解析，是生命科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要目標(biāo)。只有在生理原位條件下對(duì)生物分子進(jìn)行觀察，才能獲知其實(shí)現(xiàn)生理功能時(shí)的構(gòu)象變化等信息，幫助解決細(xì)胞信號(hào)通路、藥物靶點(diǎn)識(shí)別等重要問(wèn)題。磁共振技術(shù)兼容生理環(huán)境，可以進(jìn)行原位的無(wú)損探測(cè)，也可以通過(guò)自旋標(biāo)記等手段，從細(xì)胞內(nèi)雜亂的背景信號(hào)中選擇性地探測(cè)目標(biāo)分子的共振譜，是最有可能實(shí)現(xiàn)生理原位探測(cè)的方法。傳統(tǒng)磁共振譜儀所進(jìn)行的是系綜分子探測(cè)，而NV 色心量子傳感器可以在室溫大氣條件下對(duì)單分子進(jìn)行磁共振檢測(cè)，避免系綜平均導(dǎo)致的單分子譜線特征缺失，具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。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(lái)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(zhǎng)壽命熒光標(biāo)記。得益于其靈敏度高、生物兼容性好的特點(diǎn)，NV色心量子傳感器非常適合用于生理原位的探測(cè)，利用納米金剛石中的NV色心，有望實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)的原位磁共振探測(cè)。 ^\B :R,
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然而， 在活細(xì)胞內(nèi)追蹤納米金剛石運(yùn)動(dòng)的結(jié)果表明，它在細(xì) 胞內(nèi)部和細(xì)胞膜上都會(huì)隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) ，導(dǎo)致 NV 色心感受到的有效 操控微波場(chǎng) 強(qiáng)度發(fā)生隨機(jī) 變化 ，讓當(dāng)前通用的磁共振探測(cè)方式失效。 為了解決這一問(wèn)題， 研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了幅度調(diào)制序列，用這種序列會(huì)在NV色心上產(chǎn)生一系列等間隔的能級(jí)，間隔大小只由調(diào)制頻率決定，與有效操控場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)，序列示意圖及共振原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。當(dāng)NV色心的能級(jí)與被測(cè)目標(biāo)的能級(jí)匹配時(shí)，便會(huì)發(fā)生共振，使NV色心的狀態(tài)發(fā)生改變。通過(guò)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。 ^I KO2Ft
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圖1.幅度調(diào)制序列及其原理 :b[`
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上圖為幅度調(diào)制序列示意圖，下圖為共振條件示意圖。 [OOS`N4<
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這種序列會(huì)在NV色心上產(chǎn)生一系列等間隔的能級(jí)，間隔大小為調(diào)制頻率f，以黑色箭頭標(biāo)示。實(shí)驗(yàn)中掃描調(diào)制頻率f，使其與被測(cè)目標(biāo)的能級(jí)ω匹配，發(fā)生共振。 D@EO=08<b
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本工作在原位條件下，對(duì)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(cè)量。為了模擬納米金剛石在細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，研究人員用長(zhǎng)鏈分子將納米金剛石“拴”在基底上，限制其平動(dòng)范圍，但保留轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)，實(shí)驗(yàn)中選定被測(cè)目標(biāo)為氧釩離子溶液。當(dāng)納米金剛石存在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，難以對(duì)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(cè)得氧釩離子的零場(chǎng)順磁共振譜，實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)生理原位磁共振探測(cè)是可行的。 c:8 3L Z
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