近日，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、孔飞等利用单个纳米金刚石内部的氮-空位色心（NV）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。研究成果日前发表在《自然·通讯》上。

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，通过技术提升，将检测条件放宽至水溶液环境，这项工作又进一步推进至原位环境，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。

提出幅度调制序列解决磁共振探测痛点

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。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。

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。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。

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。

实现原位溶液磁共振谱测量

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成员在原位条件下，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。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。

国内量子精密测量的应用

核磁共振的最大优点是它是目前少有的对人体没有任何伤害的安全、快速、准确的临床诊断方法，在结构生物学和临床医学上具有广泛应用。金刚石氮-空位（NV）色心，作为一种出色的量子传感器，可以实现纳米级别甚至单分子中的核磁共振。

国仪量子基于光探测磁共振技术，研发生产量子钻石单自旋谱仪[4]，运用基于NV色心的量子精密测量技术，也可以实现纳米核磁共振，开展纳米尺度二维核磁共振谱测量等相关实验研究工作。该谱仪是国际首台商用的光探测磁共振谱仪，性能稳定，功能强大，将更好地助力科研工作者更加便捷地完成相关研究。

量子钻石单自旋谱仪是一台基于氮-空位（NV色心）的以自旋磁共振为原理的量子实验平台，通过控制光、电、磁等基本物理量，实现对钻石中NV色心发光缺陷的自旋进行量子操控与读出。与传统顺磁共振、核磁共振相比，具有初态是量子纯态，自旋量子相干时间长，量子操控能力强大，量子塌缩测量实验结果直观等独特优势。量子钻石单自旋谱仪在谱学分析和结构解析等应用中具有独到优势，可实现单蛋白等单分子电子顺磁共振，纳米尺度核磁共振，活体细胞温度、磁场、动作电位探测等。

这一研究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。

中国科学院微观磁共振重点实验室博士研究生秦卓杨、王哲成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。

文章来源： 中国科学技术大学主站，科技日报，B站