基於金剛石的量子裝置現在可以在分子尺度上進行核磁共振測量。兩個獨立研究小組的工作將使人們更容易在不破壞或冷凍單個生物分子（如蛋白質）的情況下，確定它們的結構。
核磁共振 (NMR) 及其近親磁共振成像 (MRI) 透過探測某些原子核（如氫核）中的微弱磁力來提供有關樣品結構的資訊。它們的工作原理是檢測分子如何與特定波長的電磁波集體共振，就像一起振動的吉他弦一樣。這些技術在不損壞樣品的情況下提供有關樣品結構的資訊，如果樣品是人體，這一點尤其重要。
但對於一些研究人員來說，完整的身體不如構成它們的分子有趣。“我想將核磁共振和磁共振成像技術推向分子水平，”德國斯圖加特大學的物理學家弗裡德曼·萊因哈德說。他的團隊是兩個使用核磁共振技術檢測直徑僅為幾奈米的樣品中氫原子的團隊之一。第二個團隊由加利福尼亞州聖何塞市 IBM 阿爾馬登研究中心的奈米尺度研究經理丹尼爾·魯加領導。這兩項研究都發表在本週的《科學》雜誌上。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保未來能夠繼續提供關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的報道。
尺度問題
探測寬度僅為幾奈米的單個分子一直是核磁共振技術的一個主要難題。探測器需要與樣品大小相似，而通常使用的磁線圈不容易做得小於幾微米。
奈米尺度上的核磁共振和磁共振成像測量已經可以使用強大的奈米磁體在一種稱為磁共振力顯微鏡的技術中完成，但這僅適用於非常冷的樣品。
魯加和萊因哈德採取了不同的方法。兩個團隊都製造了晶體結構存在缺陷的金剛石——表面以下幾奈米處，一個氮原子緊挨著一個缺失的碳原子。這使金剛石發出紅色熒光，根據氮電子的自旋方向，熒光可以是明亮的或暗淡的。
萊因哈德的團隊將不同種類的樣品放置在他們的金剛石上，並觀察樣品中的核共振如何影響氮中的自旋電子。研究人員計算出，大部分訊號來自樣品內部直徑僅為 5 奈米的體積。
射頻探針
魯加的團隊用有機聚合物做了類似的實驗，並探測了大約相同大小的體積。研究人員還向他們的樣品發射了射頻脈衝，這使他們能夠操縱樣品內部氫原子的電子。這更像是傳統的核磁共振實驗，並提供了更多關於被探測分子型別的細節。
“我們的技術是純粹被動的，”萊因哈德說，並補充說，被動性使其更容易實現。但他指出，在第一近似中，結果與魯加的實驗相同。
“接下來，我們希望將這項技術從檢測轉化為成像，”萊因哈德說。這個想法是將金剛石晶體放置在掃描顯微鏡的尖端，並觀察訊號如何隨著尖端的移動而變化，從而產生影像。
與這些研究一起發表的一篇評論文章預測了一種更高階的應用：對活細胞內部的單個分子進行成像。浸入細胞細胞質中的金剛石奈米晶體基本上可以即時拍攝單個分子（如蛋白質摺疊）的活動影片，德克薩斯州農工大學學院站分校的固態物理學家菲利普·海默寫道。
“這些都是很棒的實驗，”在蘇黎世瑞士聯邦理工學院研究自旋物理和成像的克里斯蒂安·德根說。他指出，將氮缺陷置於正確的位置非常困難。“為了達到這個目標，我們經歷了漫長的奮鬥。”
本文經《自然》雜誌許可轉載。這篇文章於 2013 年 1 月 31 日首次發表。