中國科大等在微觀核磁共振技術(shù)方面取得階段性重要突破

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰教授研究組與德國斯圖加特大學(xué)的J. Wrachtrup教授組合作，成功實現(xiàn)了（5nm）體積樣品質(zhì)子信號的檢測，取得微觀核磁共振技術(shù)的突破性進(jìn)展。該實驗利用摻雜金剛石中距表面7納米深度的氮-空位單電子自旋作為原子尺度磁探針，分別實現(xiàn)了（5nm）體積液體和固體有機(jī)樣品中質(zhì)子信號的檢測，其中包括的質(zhì)子總數(shù)為一萬個，其產(chǎn)生的磁信號強(qiáng)度相當(dāng)于100個統(tǒng)計極化的核自旋。此實驗為微觀磁共振技術(shù)的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。該研究成果于2 月1日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

　　自旋在物質(zhì)中廣泛存在，因而自旋磁共振技術(shù)能夠用來準(zhǔn)確、快速和無破壞性地獲取物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)上的信息，是當(dāng)代科學(xué)中zui為重要的物質(zhì)探索技術(shù)之一。一般的自旋磁共振譜儀基于系綜探測原理，它的測試對象是含有百億個以上相同自旋的系綜樣品。然而，近年來隨著物質(zhì)科學(xué)探索的不斷深入，人們開始逐漸從統(tǒng)計平均測量向直接探測單量子的信息邁進(jìn)。在自旋磁共振領(lǐng)域，實現(xiàn)微觀磁共振，甚至單自旋磁共振是這一方向發(fā)展的極為重要的科學(xué)目標(biāo)。為實現(xiàn)這一科學(xué)目標(biāo)，杜江峰教授及其合作者選取了基于摻雜金剛石中氮-空位（NV）對的固態(tài)單自旋作為探針，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電探測方式，用基于此體系單自旋態(tài)制備成量子干涉儀，將微觀自旋體系產(chǎn)生的弱磁信號轉(zhuǎn)為干涉儀的相位，從而實現(xiàn)高靈敏度的信號檢測。

　　在雙方及其他合作者在相關(guān)領(lǐng)域已有的研究基礎(chǔ)上，中德科學(xué)家經(jīng)過兩年多的努力，逐步解決了此實驗成功所需的關(guān)鍵技術(shù)：近表面NV的制備和處理及動力學(xué)解耦。這兩項技術(shù)是成功實現(xiàn)（5nm）體積液體和固體有機(jī)樣品中質(zhì)子信號檢測*的基礎(chǔ)。

　　2月1日出版的同期《科學(xué)》雜志上，還發(fā)表了另一篇類似工作，這是由美國IBM的D. Rugar和美國加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉的D. Awschalom合作完成的，他們同樣利用NV磁探針，成功實現(xiàn)了（24nm）體積有機(jī)樣品的核磁信號的檢測。本期雜志上，由P. Hemmer撰寫的評論稱，此兩項工作“利用基于鉆石的納米磁強(qiáng)計，有效地減小了磁共振成像（MRI）的可探測體積到單個蛋白質(zhì)分子水平。”