纳米金刚石量子传感技术实现原位溶液磁共振谱测量

 　　记者17日从中国科学技术大学获悉，该校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。

　　磁共振技术兼容生理环境，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，具有独到优势。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。

　　研究人员在原位条件下，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。

中国科大供图

　　研究人员表示，这项研究成果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。