中国科大发展纳米金刚石量子传感技术实现原位溶液磁共振谱测量

    中国科大苏州高等研究院、生物医学工程学院石发展教授课题组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氮-空位色心（Nitrogen-Vacancy center, NV center）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。该项研究成果以“In situ electron paramagnetic resonance spectroscopy using single nanodiamond sensors”为题，发表在《Nature Communications》[ Nat. Commun. 14, 6278 (2023)]上。

    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。

    然而，在活细胞内追踪纳米金刚石运动的结果表明，它在细胞内部和细胞膜上都会随机转动，导致 NV 色心感受到的有效操控微波场强度发生随机变化，让当前通用的磁共振探测方式失效。为了解决这一问题，研究团队设计了幅度调制序列，用这种序列会在NV色心上产生一系列等间隔的能级，间隔大小只由调制频率决定，与有效操控场强度无关，序列示意图及共振原理简图如图1所示。当NV色心的能级与被测目标的能级匹配时，便会发生共振，使NV色心的状态发生改变。通过扫描调制频率，便可以获取目标的磁共振谱，谱峰位置不再受NV色心的空间取向影响。

图1：幅度调制序列及其原理

左图为幅度调制序列示意图，右图为共振条件示意图。这种序列会在NV色心上产生一系列等间隔的能级，间隔大小为调制频率f，以黑色箭头标示。实验中扫描调制频率f，使其与被测目标的能级ω匹配，发生共振。

    本工作在原位条件下，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，实验示意图和结果如图2所示。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。

图2：实验设置及测量结果

上图为纳米金刚石模拟生理原位条件时，实际进行的实验示意图。下图中，圆点为运动的单个纳米金刚石探测到的氧钒离子顺磁共振谱，红线是对实验数据进行拟合的结果，蓝线为理论模拟结果。

    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。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坏境[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。

中国科大博士研究生秦卓杨、王哲成（现为中国科大生物医学工程学院博士后）为该论文的共同第一作者，杜江峰院士、石发展教授和孔飞特任研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院和安徽省的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41903-5

（中国科学院微观磁共振重点实验室、物理学院、生物医学工程学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）