一种利用金刚石制成的传感器的量子显微镜可以让研究人员研究诸如DNA如何在细胞中折叠、药物为何起作用或细菌如何代谢金属等纳米级奥秘。至关重要的是，该显微镜可以对溶液中的单个离子进行成像，并在不干扰该过程的情况下揭示生化反应的发生。该系统背后的团队在 2 月 14 日的 arXiv 服务器预印本中描述了这些结果。
研究人员长期以来一直希望拥有一种用于分子结构的成像系统，其工作原理类似于医院的磁共振成像 (MRI) 机器，可以在不损害人体的情况下揭示人体内部的结构。量子 MRI（使用电子自旋在量子水平上成像）背后的想法是对包括金属离子在内的化学反应进行相同的操作。目前的磁共振技术只能揭示10微米或更大的结构，检测细胞内金属离子的唯一方法是添加反应性化学物质或冷冻细胞，以便可以在强大的显微镜下成像——这些过程都会杀死细胞。
医院的 MRI 机器的工作原理是将患者置于磁场中，使得体内原子的质子与机器的磁铁对齐。然后，机器向被成像的身体区域发送无线电脉冲，使质子失去对齐。当这些脉冲被关闭时，质子会重新对齐并以特定频率发射电磁波。如果身体组织发出的频率与机器中传感器的频率相匹配，则这两个频率将像调到相同音符的吉他弦一样共振。机器利用这种共振来重建身体的图像。
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由澳大利亚墨尔本大学的物理学家劳埃德·霍伦伯格和大卫·辛普森领导的团队希望使用这种技术来检测细胞中的金属离子。一些金属离子对细胞有害，而另一些金属离子对于生化反应（例如参与新陈代谢的反应）是必需的。问题在于，MRI传感器的大小需要与被成像的物体大致相同，这在试图观察单个原子时目前是不可能的。
有缺陷的金刚石
为了制造他们的量子 MRI 显微镜，研究人员使用了含有原子大小的晶体结构缺陷的 2 毫米宽的金刚石。这些缺陷对磁场的变化很敏感，并且可以“调谐”以与被检测分子的自旋或离子共振。当用绿色激光照射金刚石的缺陷时，金刚石会发出红色荧光，并且该荧光的亮度取决于施加磁场的强度和方向。
霍伦伯格、辛普森和他们的同事使用了一种金刚石，该金刚石在其表面下方特定位置具有一系列缺陷，并将其放在显微镜末端，紧邻样品。研究人员将缺陷调谐到与失去两个电子的铜的电离形式 (Cu2+) 的自旋共振的频率。通过将金刚石探针接触到含有铜离子的样品表面，两者之间的共振会刺激金刚石缺陷中的荧光。研究人员使用计算机程序来检查从金刚石缺陷发出的颜色，并重建样品的图像，从而揭示每个铜离子的精确位置。
接下来，研究人员用一种酸浸没样品，该酸将一个电子添加到 Cu2+ 中，将其变成 Cu+。当他们添加酸时，他们对样品成像并观察到 Cu2+ 自旋模式消失。然后，随着样品在暴露于空气中被氧化成 Cu2+，这种模式在一个小时内重新出现。这种方法有一天可以让研究人员观察细胞中发生的生化反应。
由于该方法是非侵入性的，因此理论上可以用来对活细胞的内部进行成像——辛普森和霍伦伯格的团队正在朝着这个方向努力。主要的障碍是金刚石探针需要物理上靠近样品才能产生信号。但是，该团队表示，目前的方法仍然有助于理解药物机制和研究在细胞膜上发现的蛋白质。研究人员还在尝试调整该系统，使其能够检测不同的金属，包括铁。
德国慕尼黑工业大学的物理学家弗里德曼·莱因哈德称赞这项工作。“这里的创新使它更接近应用，”他说。他的小组也在研究金刚石显微镜，创建一个可以在 3D 中成像分子的系统。
他补充说，尽管这项新技术仍然需要改进，例如在低浓度溶液中寻找铜离子的能力，但这“绝对是向前迈进的一大步”。
本文经许可转载，并于 2017 年 3 月 6 日首次发表。