一種利用金剛石製成的感測器的量子顯微鏡可以讓研究人員研究諸如DNA如何在細胞中摺疊、藥物為何起作用或細菌如何代謝金屬等奈米級奧秘。至關重要的是，該顯微鏡可以對溶液中的單個離子進行成像，並在不干擾該過程的情況下揭示生化反應的發生。該系統背後的團隊在 2 月 14 日的 arXiv 伺服器預印本中描述了這些結果。
研究人員長期以來一直希望擁有一種用於分子結構的成像系統，其工作原理類似於醫院的磁共振成像 (MRI) 機器，可以在不損害人體的情況下揭示人體內部的結構。量子 MRI（使用電子自旋在量子水平上成像）背後的想法是對包括金屬離子在內的化學反應進行相同的操作。目前的磁共振技術只能揭示10微米或更大的結構，檢測細胞內金屬離子的唯一方法是新增反應性化學物質或冷凍細胞，以便可以在強大的顯微鏡下成像——這些過程都會殺死細胞。
醫院的 MRI 機器的工作原理是將患者置於磁場中，使得體內原子的質子與機器的磁鐵對齊。然後，機器向被成像的身體區域傳送無線電脈衝，使質子失去對齊。當這些脈衝被關閉時，質子會重新對齊並以特定頻率發射電磁波。如果身體組織發出的頻率與機器中感測器的頻率相匹配，則這兩個頻率將像調到相同音符的吉他弦一樣共振。機器利用這種共振來重建身體的影像。
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由澳大利亞墨爾本大學的物理學家勞埃德·霍倫伯格和大衛·辛普森領導的團隊希望使用這種技術來檢測細胞中的金屬離子。一些金屬離子對細胞有害，而另一些金屬離子對於生化反應（例如參與新陳代謝的反應）是必需的。問題在於，MRI感測器的大小需要與被成像的物體大致相同，這在試圖觀察單個原子時目前是不可能的。
有缺陷的金剛石
為了製造他們的量子 MRI 顯微鏡，研究人員使用了含有原子大小的晶體結構缺陷的 2 毫米寬的金剛石。這些缺陷對磁場的變化很敏感，並且可以“調諧”以與被檢測分子的自旋或離子共振。當用綠色雷射照射金剛石的缺陷時，金剛石會發出紅色熒光，並且該熒光的亮度取決於施加磁場的強度和方向。
霍倫伯格、辛普森和他們的同事使用了一種金剛石，該金剛石在其表面下方特定位置具有一系列缺陷，並將其放在顯微鏡末端，緊鄰樣品。研究人員將缺陷調諧到與失去兩個電子的銅的電離形式 (Cu2+) 的自旋共振的頻率。透過將金剛石探針接觸到含有銅離子的樣品表面，兩者之間的共振會刺激金剛石缺陷中的熒光。研究人員使用計算機程式來檢查從金剛石缺陷發出的顏色，並重建樣品的影像，從而揭示每個銅離子的精確位置。
接下來，研究人員用一種酸浸沒樣品，該酸將一個電子新增到 Cu2+ 中，將其變成 Cu+。當他們新增酸時，他們對樣品成像並觀察到 Cu2+ 自旋模式消失。然後，隨著樣品在暴露於空氣中被氧化成 Cu2+，這種模式在一個小時內重新出現。這種方法有一天可以讓研究人員觀察細胞中發生的生化反應。
由於該方法是非侵入性的，因此理論上可以用來對活細胞的內部進行成像——辛普森和霍倫伯格的團隊正在朝著這個方向努力。主要的障礙是金剛石探針需要物理上靠近樣品才能產生訊號。但是，該團隊表示，目前的方法仍然有助於理解藥物機制和研究在細胞膜上發現的蛋白質。研究人員還在嘗試調整該系統，使其能夠檢測不同的金屬，包括鐵。
德國慕尼黑工業大學的物理學家弗裡德曼·萊因哈德稱讚這項工作。“這裡的創新使它更接近應用，”他說。他的小組也在研究金剛石顯微鏡，建立一個可以在 3D 中成像分子的系統。
他補充說，儘管這項新技術仍然需要改進，例如在低濃度溶液中尋找銅離子的能力，但這“絕對是向前邁進的一大步”。
本文經許可轉載，並於 2017 年 3 月 6 日首次發表。