中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發展、孔飛等人在量子精密測量領域取得重要進展，利用單個納米金剛石內部的氮-空位色心(Nitrogen-Vacancy center, NV center)進行量子傳感，克服顆粒隨機轉動問題，在原位條件下探測到了溶液中順磁離子的磁共振譜。該項研究成果以“In situ electron paramagnetic resonance spectroscopy using single nanodiamond sensors”為題，發表在《Nature Communications》上。
 

　　在生理原位條件下對分子進行探測解析，是生命科學領域的一個重要目標。只有在生理原位條件下對生物分子進行觀察，才能獲知其實現生理功能時的構象變化等信息，幫助解決細胞信號通路、藥物靶點識別等重要問題。磁共振技術兼容生理環境，可以進行原位的無損探測，也可以通過自旋標記等手段，從細胞內雜亂的背景信號中選擇性地探測目標分子的共振譜，是最有可能實現生理原位探測的方法。傳統磁共振譜儀所進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行磁共振檢測，避免系綜平均導致的單分子譜線特征缺失，具有獨到的優勢。并且NV色心的載體是金剛石，它的性質穩定，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胞內的長壽命熒光標記。得益于其靈敏度高、生物兼容性好的特點，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，有望實現細胞內的原位磁共振探測。
 

　　然而， 在活細胞內追蹤納米金剛石運動的結果表明，它在細 胞內部和細胞膜上都會隨機轉動 ，導致 NV 色心感受到的有效 操控微波場 強度發生隨機 變化 ，讓當前通用的磁共振探測方式失效。 為了解決這一問題， 研究團隊設計了幅度調制序列，用這種序列會在NV色心上產生一系列等間隔的能級，間隔大小只由調制頻率決定，與有效操控場強度無關，序列示意圖及共振原理簡圖如圖1所示。當NV色心的能級與被測目標的能級匹配時，便會發生共振，使NV色心的狀態發生改變。通過掃描調制頻率，便可以獲取目標的磁共振譜，譜峰位置不再受NV色心的空間取向影響。
 

圖1：幅度調制序列及其原理
 

　　上圖為幅度調制序列示意圖，下圖為共振條件示意圖。

 

　　這種序列會在NV色心上產生一系列等間隔的能級，間隔大小為調制頻率f，以黑色箭頭標示。實驗中掃描調制頻率f，使其與被測目標的能級ω匹配，發生共振。
 

　　本工作在原位條件下，對納米金剛石所處溶液環境中的離子進行了順磁共振譜測量。為了模擬納米金剛石在細胞內的運動，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，但保留轉動自由度。這種納米金剛石可以深入目標內部進行探測，實驗中選定被測目標為氧釩離子溶液。當納米金剛石存在轉動時，難以對NV色心進行精確的量子操控，但應用幅度調制微序列，依然能夠測得氧釩離子的零場順磁共振譜，實驗示意圖和結果如圖2所示。這一結果從原理上證明了用納米金剛石中的NV色心實現細胞內生理原位磁共振探測是可行的。
 

圖2：實驗設置及測量結果
 

　　上圖為納米金剛石模擬生理原位條件時，實際進行的實驗示意圖。下圖中，圓點為運動的單個納米金剛石探測到的氧釩離子順磁共振譜，紅線是對實驗數據進行擬合的結果，藍線為理論模擬結果。

 

　　本工作所探測的氧釩離子本身具有生物學功能，用運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常數，今后有可能用于推斷氧釩離子所處的局域環境。未來通過改善微波輻射結構效率、提升納米金剛石性質等方法，將能進一步提升測量速度，將這一方法推向實際應用。該研究團隊此前已經實現固態環境單分子磁共振檢測[Science. 347, 1135–1138 (2015)]，通過技術提升，將檢測條件放寬至水溶液環境[Nat.Methods. 15, 697–699 (2018)]，這項工作又進一步推進至原位環境[Nat.Commun. 14, 6278 (2023)]，該方向系統性的研究成果逐步向著實現細胞原位的單分子尺度微觀磁共振邁進。
 

　　中國科學院微觀磁共振重點實驗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基金委、科技部、中科院和安徽省的資助。(中國科學院微觀磁共振重點實驗室 物理學院 中國科學院量子信息和量子科技創新研究院 科研部)