【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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(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(xiàng)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(duì)分子進(jìn)行探測解析，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(hào)中選擇性地探測目標(biāo)分子的共振譜，是最有可能實(shí)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(duì)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(dú)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(diǎn)，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(shí)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(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 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(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(jí)與被測目標(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(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，使其與被測目標(biāo)的能級(jí)ω匹配，發(fā)生共振。
 

　　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，實(shí)驗(yàn)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(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，依然能夠測得氧釩離子的零場順磁共振譜，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是可行的。
 

圖2：實(shí)驗(yàn)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(shí)，實(shí)際進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)示意圖。下圖中，圓點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)的單個(gè)納米金剛石探測到的氧釩離子順磁共振譜，紅線是對(duì)實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)的單個(gè)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(duì)此前已經(jīng)實(shí)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(xiàng)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(shí)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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)