記者17日從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發(fā)展、孔飛等利用單個納米金剛石內(nèi)部的氮-空位色心(NV)進行量子傳感，克服顆粒隨機轉(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。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，是最有可能實現(xiàn)生理原位探測的方法。傳統(tǒng)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，具有獨到優(yōu)勢。利用納米金剛石中的NV色心，有望實現(xiàn)細胞內(nèi)的原位磁共振探測。

       然而，在活細胞內(nèi)追蹤納米金剛石運動的結(jié)果表明，它在細胞內(nèi)部和細胞膜上都會隨機轉(zhuǎn)動，導致NV色心感受到的有效操控微波場強度發(fā)生隨機變化，讓當前通用的磁共振探測方式失效。為解決這一問題，研究團隊設(shè)計了幅度調(diào)制序列，用這種序列會在NV色心上產(chǎn)生一系列等間隔的能級，間隔大小只由調(diào)制頻率決定，與有效操控場強度無關(guān)。當NV色心的能級與被測目標的能級匹配時，便會發(fā)生共振，使NV色心的狀態(tài)發(fā)生改變。通過掃描調(diào)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。

       研究人員在原位條件下，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內(nèi)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(zhuǎn)動時，難以對NV色心進行精確的量子操控，但應用幅度調(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色心實現(xiàn)細胞內(nèi)生理原位磁共振探測是可行的。

中國科大供圖

       研究人員表示，這項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，將能進一步提升測量速度，將這一方法推向?qū)嶋H應用。