目前，由于磁共振技術(shù)能夠準(zhǔn)確、快速和無破壞地獲取物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)信息，已被廣泛用于基礎(chǔ)研究和醫(yī)學(xué)應(yīng)用等多個領(lǐng)域。

       但是，當(dāng)前通用的磁共振譜儀受制于探測方式，其研究對象通常為數(shù)十億個分子，成像分辨率僅為毫米量級，無法觀測到單個分子的獨(dú)特信息。

       近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授杜江峰領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)將量子技術(shù)應(yīng)用于單個蛋白分子研究，利用鉆石中的一種特殊結(jié)構(gòu)做探針，首次在在室溫大氣條件下，獲得了世界上首張單蛋白質(zhì)分子的磁共振譜。該成果使利用基于鉆石的高分辨率納米磁共振成像診斷成為可能。

       該研究成果于3月6日發(fā)表在《科學(xué)》上，同期《科學(xué)》“展望”欄目專文報道評價“此工作是通往活體細(xì)胞中單蛋白質(zhì)分子實(shí)時成像的里程碑”。

       此前的研究顯示，基于鉆石的新型磁共振技術(shù)能將研究對象推進(jìn)到單分子，成像分辨率提升至納米級。但實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)面臨諸多挑戰(zhàn)，主要是單分子信號太弱難以探測。

       之后，杜江峰研究團(tuán)隊(duì)利用鉆石中的氮—空位點(diǎn)缺陷作為量子探針（以下簡稱“鉆石探針”），選取了細(xì)胞分裂中的一種重要蛋白為探測對象。首先將蛋白從細(xì)胞中分離并將標(biāo)記物（氮氧自由基）固定在蛋白的特定位置，然后將此蛋白分子放置到鉆石表面，此時標(biāo)記物距離“鉆石探針”約10納米，會產(chǎn)生僅相當(dāng)于地磁場十六分之一的極微弱的磁信號。“鉆石探針”具有感知極弱磁信號的能力，在激光和微波操控下，它形成一個量子傳感器，將單分子信號轉(zhuǎn)化為光學(xué)信號而加以檢測。

       經(jīng)過兩年多的努力，最終他們成功地在室溫大氣條件下首次獲取了單個蛋白質(zhì)分子的磁共振譜，并通過對比不同磁場下的多組磁共振譜的特征，獲取了此蛋白質(zhì)分子的動力學(xué)性質(zhì)。

       隨后，《科學(xué)》雜志將該工作選為當(dāng)期亮點(diǎn)并配以專文報道，盛贊其“實(shí)現(xiàn)了一個崇高的目標(biāo)”“能夠有效克服以往測蛋白分子結(jié)構(gòu)時需要提純和長成單晶的困難，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對單蛋白分子在細(xì)胞內(nèi)的原位檢測……是通往活體細(xì)胞中單蛋白質(zhì)分子實(shí)時成像的里程碑”。

       此前，杜江峰組已成功探測到金剛石體內(nèi)兩個13C原子核自旋，并通過刻畫其相互作用強(qiáng)度以原子尺度分辨率解析出了這兩個同位素原子的空間取向，向單核自旋磁共振譜學(xué)和成像邁出了重要一步。

       另外，杜江峰教授通過與德美研究組合作，檢測到（5nm）3有機(jī)樣品中質(zhì)子信號，取得納米尺度核磁共振技術(shù)的突破性進(jìn)展。同期的《科學(xué)》“展望”欄目專文評論為“基于鉆石的納米磁探針，將磁共振成像的可探測體積到單個蛋白質(zhì)分子水平”。

       據(jù)了解，該研究不僅將磁共振技術(shù)的研究對象從數(shù)十億個分子推進(jìn)到單個分子，并且“室溫大氣”這一寬松的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為該技術(shù)未來在生命科學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了必要條件，使得高分辨率的納米磁共振成像及診斷成為可能。

       “這項(xiàng)技術(shù)最直接的用途是在不影響蛋白質(zhì)性質(zhì)的前提下檢測其結(jié)構(gòu)和動力學(xué)性質(zhì)，直接在細(xì)胞膜上或細(xì)胞內(nèi)研究蛋白質(zhì)分子。”杜江峰表示，這對生命科學(xué)研究來說有極大吸引力。

       因此，該技術(shù)有望幫助人們從單分子的更深層次來探索生命和物質(zhì)科學(xué)的機(jī)理，對于物理、生物、化學(xué)、材料等多個學(xué)科領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的意義。

       據(jù)介紹，以此為基礎(chǔ)，和掃描探針、高梯度磁場等技術(shù)結(jié)合，未來可將該技術(shù)應(yīng)用于生命及材料領(lǐng)域的單分子成像、結(jié)構(gòu)解析、動力學(xué)監(jiān)測，甚至直接深入細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行微觀磁共振研究。

       該研究獲得了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。