“钻石探针”洞悉单分子世界

    本报合肥3月10日电（记者李陈续 通讯员杨保国）日前，中国科学技术大学杜江峰教授领衔的研究团队将量子技术应用于单个蛋白质分子研究，在室温大气条件下获得了世界上首张单蛋白质分子的磁共振谱。该研究不仅将磁共振技术的研究对象从数十亿个分子推进到单个分子，并且“室温大气”这一宽松的实验环境为该技术未来在生命科学等领域的广泛应用提供了必要条件，使得高分辨率的纳米磁共振成像及诊断成为可能。

    国际著名学术期刊《科学》3月6日发表这项成果并配发专文予以报道。专文高度评价称这个进展是“通往活体细胞中单蛋白质分子实时成像的里程碑”，赞誉其“实现了一个雄心勃勃的目标”。

    磁共振技术能够准确、快速和无破坏地获取物质的组成和结构信息，已被广泛应用于基础研究和医学等各大领域。然而当前通用的磁共振谱仪受制于探测方式，其研究对象通常为数十亿个分子，成像分辨率仅为毫米量级，无法观测到单个分子的独特信息。基于钻石的新型磁共振技术则能将研究对象推进到单分子，成像分辨率提升至纳米级。但实现这一目标面临诸多挑战，主要是单分子信号太弱难以探测。

    杜江峰研究团队利用钻石中的氮—空位点缺陷作为量子探针（以下简称“钻石探针”），选取细胞分裂中的一种重要蛋白为探测对象。首先将蛋白从细胞中分离并将标记物固定在蛋白的特定位置，然后将此蛋白质分子放在钻石表面，此时标记物距离“钻石探针”约10纳米，会产生仅相当于地磁场十六分之一的极微弱的磁信号。“钻石探针”在激光和微波操控下，形成一个量子传感器，将单分子信号转化为光学信号而加以检测。经过两年多的努力，最终成功地在室温大气条件下首次获取了单个蛋白质分子的磁共振谱，并通过对比不同磁场下的多组磁共振谱的特征，获取了它的动力学性质。

    专家认为，以此为基础，和扫描探针、高梯度磁场等技术结合，未来可将该技术应用于生命及材料领域的单分子成像、结构解析、动力学监测，甚至直接深入细胞内部进行微观磁共振研究。