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(cè)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(cè)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(chǎng)中，人體內(nèi)原子的質(zhì)子會(huì)與設(shè)備內(nèi)磁場(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)變化敏感，并且可以通過“調(diào)頻”讓其與待測(cè)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(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)附著于測(cè)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?？蒲腥藛T也在努力使這個(gè)系統(tǒng)適用于探測(cè)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）
