發(fā)布日期：2017-04-12
基于鉆石的成像系統(tǒng)，可利用電子的磁共振探測帶電原子，以及實(shí)時(shí)觀察化學(xué)反應(yīng)過程.
該新型顯微鏡，能夠提供銅離子的量子磁共振影像。David Simpson/University of Melbourne
通過鉆石打造的探頭，量子顯微鏡可以協(xié)助科研人員研究納米尺度微觀世界的奧秘，諸如DNA如何在細(xì)胞內(nèi)折疊、藥物如何作用、細(xì)菌如何代謝金屬等。至關(guān)重要的是，量子顯微鏡可以給溶液中的離子單獨(dú)成像，揭示正在發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)，而不干涉反應(yīng)過程。2月14日，研究這種系統(tǒng)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)在ArXiv服務(wù)器上發(fā)布預(yù)印本闡述了他們的研究成果。
如同醫(yī)用磁共振成像(MRI)設(shè)備可以揭示人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)而不造成傷害一般，可以用于分子結(jié)構(gòu)的類似成像系統(tǒng)一直是科研人員的向往。利用電子自旋形成量子級(jí)成像的量子磁共振成像技術(shù)的目標(biāo)，正是為化學(xué)反應(yīng)、包括含金屬離子的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行成像?，F(xiàn)有的磁共振成像技術(shù)只能展示10微米或以上的結(jié)構(gòu)。如果要探測細(xì)胞中的金屬離子，唯一的方法是加入可與之反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，或者冷凍細(xì)胞以便可以在高倍顯微鏡下進(jìn)行成像——這些過程都將殺死細(xì)胞。
醫(yī)用磁共振設(shè)備的原理是：將病人置于磁場中，人體內(nèi)原子的質(zhì)子會(huì)與設(shè)備內(nèi)磁場的磁力線對(duì)齊；然后設(shè)備向人體待成像區(qū)域發(fā)射射頻脈沖，使得質(zhì)子脫離對(duì)齊狀態(tài)；當(dāng)脈沖結(jié)束時(shí)，質(zhì)子重新對(duì)齊并釋放特定頻率的電磁波；如果人體組織釋放的電磁波頻率與設(shè)備中探測器的頻率合拍，兩個(gè)頻率會(huì)產(chǎn)生共振，就像調(diào)至同一音調(diào)的吉他琴弦一樣；此類設(shè)備利用這一共振重構(gòu)人體影像。
在澳大利亞墨爾本大學(xué)，由物理學(xué)家Lloyd Hollenberg和David Simpson帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)希望通過這個(gè)技術(shù)探測細(xì)胞內(nèi)的金屬離子。某些金屬離子對(duì)細(xì)胞有害，而另一些則為生物化學(xué)反應(yīng)所需，比如參與新陳代謝的金屬離子。問題是，核磁共振探頭需要與待成像物體大致為同等尺寸。而對(duì)于觀測單一原子，這個(gè)要求目前還無法滿足。
帶缺陷的鉆石
為構(gòu)建量子磁共振顯微鏡，科研人員采用了寬度為2毫米且晶體中含有原子級(jí)缺陷的鉆石。這些缺陷對(duì)磁場變化敏感，并且可以通過“調(diào)頻”讓其與待測分子或離子的自旋共振。當(dāng)鉆石中的缺陷被綠光激光照射時(shí)，鉆石會(huì)發(fā)出紅色熒光，并且熒光光強(qiáng)取決于磁場的強(qiáng)度和方向。
Hollenberg、Simpson和同事們采用的鉆石在接近表面特定位置具有缺陷陣列，這個(gè)鉆石被置于緊靠待觀測樣品的顯微鏡末端。他們將缺陷的響應(yīng)頻率調(diào)制到可以與缺失兩個(gè)電子的銅離子（Cu2+）的自旋共振。當(dāng)鉆石探頭接觸含有銅離子樣品的表面時(shí)，兩者之間產(chǎn)生的頻率共振在鉆石的缺陷處激發(fā)了熒光。而后他們用計(jì)算機(jī)程序檢測鉆石缺陷處熒光的顏色并重構(gòu)了樣品的影像，得以定位每個(gè)銅離子的精確位置。
接著，研究人員用某種酸液浸染樣品以使2價(jià)銅離子（Cu2+）獲取一個(gè)電子從而還原為1價(jià)銅離子（Cu+.）。他們邊對(duì)樣品施加酸液邊進(jìn)行成像，過程中可以觀測到2價(jià)銅離子的自旋影像逐漸消失。隨后，在樣品暴露于空氣中的一小時(shí)過程中，1價(jià)銅離子被再次氧化為2價(jià)銅離子，原先的影像逐漸重新顯現(xiàn)。這個(gè)方法有一天將能夠幫助研究人員實(shí)時(shí)觀察細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)。
上圖中的袋鼠是通過量子磁共振成像顯微鏡探測附著于測試模板上的溶液中銅離子（Cu2+）制作的，其中顯影區(qū)域形成了一副圖案。（比例尺代表10微米）David Simpson/University of Melbourne
因?yàn)檫@種方法的非介入性，理論上它可以對(duì)活細(xì)胞的內(nèi)部進(jìn)行成像——這正是Simpson和 Hollenberg的團(tuán)隊(duì)努力的方向。核心難點(diǎn)在于鉆石探頭要離樣品足夠近方能產(chǎn)生信號(hào)。但該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為目前的方法對(duì)于理解藥物作用機(jī)理以及研究細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)仍有幫助。科研人員也在努力使這個(gè)系統(tǒng)適用于探測包括鐵在內(nèi)的各類金屬物質(zhì)。
德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的物理學(xué)家Friedemann Reinhard稱贊了這項(xiàng)成果。他說:“他們的創(chuàng)新使得這個(gè)技術(shù)離實(shí)際應(yīng)用的距離大幅縮短。”他的團(tuán)隊(duì)也在和鉆石顯微鏡打交道，目標(biāo)是構(gòu)造一個(gè)可以對(duì)分子進(jìn)行3D成像的系統(tǒng)。
他補(bǔ)充說，雖然這項(xiàng)新技術(shù)仍需改進(jìn)，比如在低濃度的溶液中搜尋銅離子，但它“絕對(duì)已經(jīng)向前邁了一大步”。
原文以Quantum microscope offers MRI for molecules為標(biāo)題
發(fā)布在2017年3月6日的《自然》新聞上
原文作者：Sara Reardon
來源：Nature自然科研（微信號(hào) macmillan-nature）
