“這種鉆石示蹤劑可以同時通過磁共振成像（MRI）和熒光信號提供信息，獲取高分辨率的高質量圖像，同時觀測深度也能達到光學顯微鏡的 10 倍以上。” 談及量子精密測量的最新成果，來自加州大學伯克利的博士呂旭東向 DeepTech 介紹道。

圖 | 呂旭東（來源：受訪者）

當前，信息技術正逐漸向量子信息技術跨越，新一輪技術革命即將到來。在這種趨勢下，全球很多科研工作者都在探索不同量子技術平臺。

在超導量子比特、離子阱、固體量子比特、里德堡原子等一眾實驗體系里，鉆石氮 - 空位（Nitrogen-Vacancy, NV）色心平臺在室溫環境中存在一定干擾情況下，仍能保持較好特性的一個平臺，呂旭東發現的這種鉆石示蹤劑便是 NV 色心的最新研究成果。

5 月 25 日，這項新發現以論文形式發表在《美國科學院院報》（PNAS）期刊上，論文以 “金剛石顆粒中的無背景雙模光學和 ¹³ C  磁共振成像（Background-free dual-mode optical and ¹³C magnetic resonance imaging in diamond particles）” 為題，呂旭東擔任第一作者。

圖 | 相關論文（來源：PNAS）

該研究首次通過鉆石實現自旋超極化，進而實現磁共振和光學成像的結合，解決了目前兩種成像手段各自存在的缺陷問題，有望在生物技術和醫療行業實現提速。

“鉆石 NV 色心是目前量子信息領域研究的熱點方向。由于 NV 的熒光非常穩定，是一種良好的單光子源，因此常被用于量子密鑰分配、生物熒光標記等。另外鉆石 NV 色心中的電子自旋常常被作為量子比特或納米探針。” 呂旭東說。

圖 | 鉆石（來源：Pixabay）

他向 DeepTech 介紹，NV 色心指的是鉆石里的一種特殊發光點缺陷，由一個替代的氮原子與一個碳原子空位組成，是眾多順磁性雜質中的一種。這個空位吸引了一個電子，加上氮原子的一個未成鍵電子，組成了一個軌道基態自旋為 1 的體系。

據悉，NV 色心的電子基態為自旋三重態，室溫下相干時間可達毫秒量級，可以被定位到小于 10nm 的精度，電子自旋對外界磁場非常靈敏，NV 色心與其他待測樣品之間距離可以小于 5nm。

基于以上優點，NV 色心一般可作為一種非常強大的量子傳感器，不僅性能穩定，并且可在樣品表面進行納米級精度掃描成像時保持實驗環境的高度穩定。

NV 的量子特性，讓激光能用極高的效率把它極化到特定的自旋狀態。研究中，呂旭東通過一種業內稱之為朗道 - 基納（Landau-Zener）的量子轉移過程將電子自旋的極化轉移到 ¹³ C 原子的自旋上，使得原來極化很低的 ¹³ C 原子極化變高。

這個過程便是鉆石中碳原子超極化的過程，是磁共振成像中的關鍵所在。經過超極化后，碳原子的磁共振信號可提高幾百到幾千倍，從而更容易被觀測到。

圖 | 超極化的鉆石為核磁共振產生更強的信號（來源：受訪者）

傳統磁共振的極化方式一般是使用強磁場，以反復測量微弱信號的方式獲得可靠信息，每次極化都需要較長的弛豫時間。“考慮到多次測量的時間和弛豫時間，我們的超極化中 1 分鐘取得的信號，在傳統實驗中可能需要幾年的時間。” 呂旭東表示。

在精密測量過程中，NV 色心主要作出了兩個貢獻，那便是提升被測信號本身的強度以及提升測量的敏感度和精度。正是通過以上方法以及 NV 的突出表現，呂旭東最終實現了鉆石碳 13 的超極化磁共振成像，這在量子測量研究中尚屬第一次。

據了解，NV 色心的熒光是一種非常穩定的光子源，經常被用于量子密鑰分配、生物熒光標記等。他表示：“我們在研究中，同時利用了 NV 的這個光學特性和超極化的特點，首次實現了基于金剛石的雙模態成像。”

目前，生化研究有一個無法忽視的難題，即以當前的技術手段對生物組織進行觀測，往往需要在探查深度與獲得圖像的清晰度之間進行權衡。

使用光學顯微鏡觀察細胞或組織內部結構時，分辨率可以達到亞微米級，但確保光線能穿透而不散射的檢測深度卻只有毫米級別；雖然磁共振成像的射頻可到達人體任何部位，不過該技術在分辨率上的缺點也非常明顯 —— 比光學成像差幾個數量級。

圖 | 鉆石顆粒通過光學和 MRI 進行成像（來源：受訪者）

結合兩種成像方式，既克服了每種成像的缺點，又保留了各自的優點。雙模態成像還有一個有趣之處就是兩個模態分別在兩個傅立葉共軛的空間中進行采樣，研究中提出的共軛空間采用方法可以大大提高成像時的采樣速度和采樣精度。

此前，也有學者嘗試過磁共振的高質量成像，但是沒有成功，而鉆石示蹤劑的出現在分辨率和觀測深度上取得了較好的平衡。

借助這種示蹤劑，研究人員可同時通過 MRI 和熒光信號提供信息，從而獲取組織表面以下 1 厘米處的高質量圖像，其深度也可達到光學觀測的 10 倍。

通過使用雙觀測模式，科研人員不僅可以獲得大量組合信息，而且在成像速度上要遠遠高于單一的光學成像或者磁共振成像，這為相關研究提供了一個全新的角度和方式。

據呂旭東介紹，他先在北京大學獲得物理學學士學位，后在加州大學伯克利分校獲得博士學位。小時候，他就在物理方面表現出極高的天賦，中學時參加物理競賽并因此成功保送至北京大學物理學院，期間又對量子科學產生了濃厚的興趣。

博士期間，他師從磁共振領域先驅、沃爾夫獎得主、美國兩院院士亞歷山大?派因斯（Alexander Pines）。派因斯是伯克利實驗室材料科學部的高級科學家，同時也是加州大學伯克利分校的 Glenn Seaborg 化學教授，更是全球 MRI 技術的權威之一。在過去二十年里，派因斯一直在使用量子調控技術和磁共振技術進行相應的科學研究。

圖 | 亞歷山大?派因斯（Alexander Pines）（來源：伯克利化學學院）

同時呂旭東還受到他的第二導師杰夫?里莫（Jeffrey Reimer）的指導，里莫是伯克利化學和生物分子工程學院的院長，也是將科學研究應用到實際生活中的先驅。得益于兩位導師的教誨，呂旭東在量子學領域取得了長足進展。目前呂旭東是加州大學伯克利分校和加州理工大學的聯合博士后研究員，正負責主導一個新的冷原子量子平臺的搭建。

此前，有不少人嘗試過這項研究，但是并不成功。如何實現在微金剛石中的超極化，是領域中的一個很大挑戰。呂旭東和團隊首次搭建了一套兼容高低場的設備（Ajoy, A., Lv, X., et al. Wide dynamic range magnetic field cycler: Harnessing quantum control at low and high fields, Review of Scientific Instruments），經過長時間的不同路徑探索，在一次偶然機會中，發現了這種超極化的方法。經過不斷優化，這種超極化方法最終成型。

隨后呂旭東和團隊做了大量工作，包括研究自旋極化過程中的理論、進而優化超極化的標準流程，然后把整套設備的電子元件等小型化，接著研究材料對于超極化的影響，并對材料進行改進，這才獲得了成熟技術。

在這項研究中，呂旭東使用的自制超極化器裝置，工程師是來自加州大學伯克利分校的科學家伊曼紐爾?杜加（Emanuel Druga）。傳統強磁場磁共振譜儀的成本一般在幾十萬到幾百萬美元之間，但是利用超極化后，成本可以降到幾千美元。而且鉆石示蹤劑也很便宜，易用性也更高。

將鉆石微粒作為成像的標記物，然后研究生物樣品或者醫學中特定位置的組織及細胞，會比傳統磁共振成像的效率更高。

在一般的磁共振成像中，信號可能比較弱，這會給診斷早期病情帶來影響。但如果利用量子化的手段，把鉆石微粒進行表面修飾，特定地連接到癌細胞上，就可以輕易實現早期癌細胞的高清晰度圖像檢測。

未來，呂旭東的新技術將主要應用于細胞和組織的體外研究，探查血液或其他液體中疾病的化學標記物，或用于動物的生理學研究。

將超極化應用在化學分析上，可以大大提高信噪比以及降低測量時間，使得原來需要強磁場才能完成的實驗，現在可以在一個便攜式儀器中完成。

另外，如此之強的信號，可讓科研工作者探索以前不能測量的信號，從而研究新的化學、生物材料的現象和機理，也可為癌癥早期檢測等帶來新可能。

圖 | 醫療檢測工具（來源：Pixabay）

呂旭東認為：“更準確來說，這項新發現其實是一個有著非常高準確度、非常高信號強度的工具。未來最有影響力的應用方向可能在于研發出一臺協助治療癌癥的檢測產品。” 他堅定認為：“量子技術必然會帶來新一代的技術革新，甚至會顛覆很多現有的技術。”

目前，一些科研團隊正在推進該技術在臨床上的應用，但要想真正大規模應用于人體，還需要美國食品藥品管理局的（FDA）的認證。其中，金剛石示蹤劑目前已經在 FDA 審核中。

考慮到新技術的諸多優勢，無論是低成本、便捷性還是高質量的成像，都將促使科研人員選擇更有益的方式。可以確定的是，該研究在量子精準測量領域必將產生深遠影響，并為未來科學的發展帶來更多的可能。