超硬材料網

　　目前，由于磁共振技術能夠準確、快速和無破壞地獲取物質的組成和結構信息，已被廣泛用于基礎研究和醫學應用等多個領域。

       但是，當前通用的磁共振譜儀受制于探測方式，其研究對象通常為數十億個分子，成像分辨率僅為毫米量級，無法觀測到單個分子的獨特信息。

       近日，中國科學技術大學教授杜江峰領銜的研究團隊將量子技術應用于單個蛋白分子研究，利用鉆石中的一種特殊結構做探針，首次在在室溫大氣條件下，獲得了世界上首張單蛋白質分子的磁共振譜。該成果使利用基于鉆石的高分辨率納米磁共振成像診斷成為可能。

       該研究成果于3月6日發表在《科學》上，同期《科學》“展望”欄目專文報道評價“此工作是通往活體細胞中單蛋白質分子實時成像的里程碑”。

       此前的研究顯示，基于鉆石的新型磁共振技術能將研究對象推進到單分子，成像分辨率提升至納米級。但實現這一目標面臨諸多挑戰，主要是單分子信號太弱難以探測。

       之后，杜江峰研究團隊利用鉆石中的氮—空位點缺陷作為量子探針（以下簡稱“鉆石探針”），選取了細胞分裂中的一種重要蛋白為探測對象。首先將蛋白從細胞中分離并將標記物（氮氧自由基）固定在蛋白的特定位置，然后將此蛋白分子放置到鉆石表面，此時標記物距離“鉆石探針”約10納米，會產生僅相當于地磁場十六分之一的極微弱的磁信號。“鉆石探針”具有感知極弱磁信號的能力，在激光和微波操控下，它形成一個量子傳感器，將單分子信號轉化為光學信號而加以檢測。

       經過兩年多的努力，最終他們成功地在室溫大氣條件下首次獲取了單個蛋白質分子的磁共振譜，并通過對比不同磁場下的多組磁共振譜的特征，獲取了此蛋白質分子的動力學性質。

       隨后，《科學》雜志將該工作選為當期亮點并配以專文報道，盛贊其“實現了一個崇高的目標”“能夠有效克服以往測蛋白分子結構時需要提純和長成單晶的困難，并且能夠實現對單蛋白分子在細胞內的原位檢測……是通往活體細胞中單蛋白質分子實時成像的里程碑”。

       此前，杜江峰組已成功探測到金剛石體內兩個13C原子核自旋，并通過刻畫其相互作用強度以原子尺度分辨率解析出了這兩個同位素原子的空間取向，向單核自旋磁共振譜學和成像邁出了重要一步。

       另外，杜江峰教授通過與德美研究組合作，檢測到（5nm）3有機樣品中質子信號，取得納米尺度核磁共振技術的突破性進展。同期的《科學》“展望”欄目專文評論為“基于鉆石的納米磁探針，將磁共振成像的可探測體積到單個蛋白質分子水平”。

       據了解，該研究不僅將磁共振技術的研究對象從數十億個分子推進到單個分子，并且“室溫大氣”這一寬松的實驗環境為該技術未來在生命科學等領域的廣泛應用提供了必要條件，使得高分辨率的納米磁共振成像及診斷成為可能。

       “這項技術最直接的用途是在不影響蛋白質性質的前提下檢測其結構和動力學性質，直接在細胞膜上或細胞內研究蛋白質分子。”杜江峰表示，這對生命科學研究來說有極大吸引力。

       因此，該技術有望幫助人們從單分子的更深層次來探索生命和物質科學的機理，對于物理、生物、化學、材料等多個學科領域具有深遠的意義。

       據介紹，以此為基礎，和掃描探針、高梯度磁場等技術結合，未來可將該技術應用于生命及材料領域的單分子成像、結構解析、動力學監測，甚至直接深入細胞內部進行微觀磁共振研究。

       該研究獲得了國家自然科學基金項目的支持。