NV色心量子传感技术实现原位溶液磁共振谱测量
- 2023年10月18日 10:31:06来源：化工仪器网点击：4098
【化工仪器网 项目成果】量子传感器是一种根据量子力学规律、利用量子效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置。目前，常见的量子传感器包括里德堡原子、原子磁力计、超导量子干涉仪、金刚石NV色心等。其中，氮-空位(NV)色心是金刚石中的一种发光点缺陷结构，有着卓越的光学特性和自旋极化特性，并且由于其独特的载体稳定性和室温大气环境兼容性，可用作生物细胞的温度传感器，也可用于微波磁场的精密测量。提升其探测灵敏度是最重要的发展方向之一。
在生理原位条件下对分子进行探测解析，是生命科学领域的一个重要目标。只有在生理原位条件下对生物分子进行观察，才能获知其实现生理功能时的构象变化等信息，帮助解决细胞信号通路、药物靶点识别等重要问题。磁共振技术兼容生理环境，可以进行原位的无损探测，也可以通过自旋标记等手段，从细胞内杂乱的背景信号中选择性地探测目标分子的共振谱，是最有可能实现生理原位探测的方法。
传统磁共振谱仪所进行的是系综分子探测，而NV色心量子传感器可以在室温大气条件下对单分子进行磁共振检测，避免系综平均导致的单分子谱线特征缺失，具有独到的优势。并且NV色心的载体是金刚石，它的性质稳定，也具有生物兼容性，因此近年来有不少研究将含有NV色心的荧光纳米金刚石用作细胞内的长寿命荧光标记。得益于其灵敏度高、生物兼容性好的特点，NV色心量子传感器非常适合用于生理原位的探测，利用纳米金刚石中的NV色心，有望实现细胞内的原位磁共振探测。
中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、石发展、孔飞等人在量子精密测量领域取得重要进展，利用单个纳米金刚石内部的NV色心进行量子传感，克服颗粒随机转动问题，在原位条件下探测到了溶液中顺磁离子的磁共振谱。
他们在原位条件下，对纳米金刚石所处溶液环境中的离子进行了顺磁共振谱测量。为了模拟纳米金刚石在细胞内的运动，研究人员用长链分子将纳米金刚石“拴”在基底上，限制其平动范围，但保留转动自由度。这种纳米金刚石可以深入目标内部进行探测，实验中选定被测目标为氧钒离子溶液。当纳米金刚石存在转动时，难以对NV色心进行精确的量子操控，但应用幅度调制微序列，依然能够测得氧钒离子的零场顺磁共振谱。
这一结果从原理上证明了用纳米金刚石中的NV色心实现细胞内生理原位磁共振探测是可行的。除此之外，本工作所探测的氧钒离子本身具有生物学功能，用运动的单个纳米金刚石所测到顺磁共振谱可分析获取氧钒离子的超精细常数，今后有可能用于推断氧钒离子所处的局域环境。未来通过改善微波辐射结构效率、提升纳米金刚石性质等方法，将能进一步提升测量速度，将这一方法推向实际应用。
目前，该研究团队此前已经实现固态环境单分子磁共振检测[Science. 347, 1135–1138 (2015)]，通过技术提升，将检测条件放宽至水溶液环境[Nat.Methods. 15, 697–699 (2018)]，这项工作又进一步推进至原位环境[Nat.Commun. 14, 6278 (2023)]，该方向系统性的研究成果逐步向着实现细胞原位的单分子尺度微观磁共振迈进。
该项研究成果以“In situ electron paramagnetic resonance spectroscopy using single nanodiamond sensors”为题，发表在《Nature Communications》上。
(资料来源：中国科学技术大学)
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