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NV色心量子傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)原位溶液磁共振譜測量
2023年10月18日 10:31:06 來源：化工儀器網(wǎng) 點(diǎn)擊量：4650

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)動問題，在原位條件下探測到了溶液中順磁離子的磁共振譜。

　　【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)計的、用于執(zhí)行對系統(tǒng)被測量進(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、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量。提升其探測靈敏度是最重要的發(fā)展方向之一。
 
　　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(shí)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(diǎn)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(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。
 
　　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)動問題，在原位條件下探測到了溶液中順磁離子的磁共振譜。
 
　　他們在原位條件下，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(yùn)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(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。
 
　　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。除此之外，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。
 
　　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[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)。
 
　　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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