記者17日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、石發(fā)展、孔飛等利用單個(gè)納米金剛石內(nèi)部的氮-空位色心(NV)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。研究成果日前發(fā)表在《自然·通訊》上。

       磁共振技術(shù)兼容生理環(huán)境，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)到優(yōu)勢(shì)。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)。

       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)。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。

       研究人員在原位條件下，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。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。

中國(guó)科大供圖

       研究人員表示，這項(xiàng)研究成果今后有可能用于推斷氧釩離子所處的局域環(huán)境。未來(lái)通過(guò)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。