基于金刚石的量子设备现在可以在分子尺度上进行核磁共振测量。两个独立研究小组的工作将使人们更容易在不破坏或冷冻单个生物分子（如蛋白质）的情况下，确定它们的结构。
核磁共振 (NMR) 及其近亲磁共振成像 (MRI) 通过探测某些原子核（如氢核）中的微弱磁力来提供有关样品结构的信息。它们的工作原理是检测分子如何与特定波长的电磁波集体共振，就像一起振动的吉他弦一样。这些技术在不损坏样品的情况下提供有关样品结构的信息，如果样品是人体，这一点尤其重要。
但对于一些研究人员来说，完整的身体不如构成它们的分子有趣。“我想将核磁共振和磁共振成像技术推向分子水平，”德国斯图加特大学的物理学家弗里德曼·莱因哈德说。他的团队是两个使用核磁共振技术检测直径仅为几纳米的样品中氢原子的团队之一。第二个团队由加利福尼亚州圣何塞市 IBM 阿尔马登研究中心的纳米尺度研究经理丹尼尔·鲁加领导。这两项研究都发表在本周的《科学》杂志上。
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尺度问题
探测宽度仅为几纳米的单个分子一直是核磁共振技术的一个主要难题。探测器需要与样品大小相似，而通常使用的磁线圈不容易做得小于几微米。
纳米尺度上的核磁共振和磁共振成像测量已经可以使用强大的纳米磁体在一种称为磁共振力显微镜的技术中完成，但这仅适用于非常冷的样品。
鲁加和莱因哈德采取了不同的方法。两个团队都制造了晶体结构存在缺陷的金刚石——表面以下几纳米处，一个氮原子紧挨着一个缺失的碳原子。这使金刚石发出红色荧光，根据氮电子的自旋方向，荧光可以是明亮的或暗淡的。
莱因哈德的团队将不同种类的样品放置在他们的金刚石上，并观察样品中的核共振如何影响氮中的自旋电子。研究人员计算出，大部分信号来自样品内部直径仅为 5 纳米的体积。
射频探针
鲁加的团队用有机聚合物做了类似的实验，并探测了大约相同大小的体积。研究人员还向他们的样品发射了射频脉冲，这使他们能够操纵样品内部氢原子的电子。这更像是传统的核磁共振实验，并提供了更多关于被探测分子类型的细节。
“我们的技术是纯粹被动的，”莱因哈德说，并补充说，被动性使其更容易实现。但他指出，在第一近似中，结果与鲁加的实验相同。
“接下来，我们希望将这项技术从检测转化为成像，”莱因哈德说。这个想法是将金刚石晶体放置在扫描显微镜的尖端，并观察信号如何随着尖端的移动而变化，从而产生图像。
与这些研究一起发表的一篇评论文章预测了一种更高级的应用：对活细胞内部的单个分子进行成像。浸入细胞细胞质中的金刚石纳米晶体基本上可以实时拍摄单个分子（如蛋白质折叠）的活动影片，德克萨斯州农工大学学院站分校的固态物理学家菲利普·海默写道。
“这些都是很棒的实验，”在苏黎世瑞士联邦理工学院研究自旋物理和成像的克里斯蒂安·德根说。他指出，将氮缺陷置于正确的位置非常困难。“为了达到这个目标，我们经历了漫长的奋斗。”
本文经《自然》杂志许可转载。这篇文章于 2013 年 1 月 31 日首次发表。