NV色心量子傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)原位溶液磁共振譜測(cè)量
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】量子傳感器是一種根據(jù)量子力學(xué)規(guī)律、利用量子效應(yīng)設(shè)計(jì)的、用于執(zhí)行對(duì)系統(tǒng)被測(cè)量進(jìn)行變換的物理裝置。目前，常見的量子傳感器包括里德堡原子、原子磁力計(jì)、超導(dǎo)量子干涉儀、金剛石NV色心等。其中，氮-空位(NV)色心是金剛石中的一種發(fā)光點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)，有著卓越的光學(xué)特性和自旋極化特性，并且由于其獨(dú)特的載體穩(wěn)定性和室溫大氣環(huán)境兼容性，可用作生物細(xì)胞的溫度傳感器，也可用于微波磁場的精密測(cè)量。提升其探測(cè)靈敏度是最重要的發(fā)展方向之一。
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(cè)，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(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(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)。
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(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NV色心進(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(cè)到了溶液中順磁離子的磁共振譜。
他們?cè)谠粭l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)得氧釩離子的零場順磁共振譜。
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。除此之外，本工作所探測(cè)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(cè)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(cè)量速度，將這一方法推向?qū)嶋H應(yīng)用。
目前，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(cè)[Science. 347, 1135–1138 (2015)]，通過技術(shù)提升，將檢測(cè)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)。
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。
(資料來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué))
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