使用单纳米金刚石传感器实现原位电子顺磁共振波谱

研究人员利用单个纳米金刚石内部的氮空位(NV)中心进行量子传感，以克服随机粒子旋转的问题。他们的研究发表在《自然通讯》上。

能够在生理原位条件下检测和分析分子是生命科学领域的一个重要目标。只有在这种条件下观察生物分子，才能揭示其实现生理功能时的构象变化。

NV中心量子传感器由于其灵敏度高、生物相容性好以及常温大气下可对单分子进行磁共振检测的特点，比传统磁共振仪器更适合生理原位检测。

然而，追踪活细胞内纳米金刚石运动的结果表明，它在细胞内部和细胞膜上都随机旋转，使得目前常见的磁共振检测方法失效。

为了解决这个问题，研究团队设计了一种幅度调制序列，它将在NV中心产生一系列等间隔的能级。

当NV中心的能级与被测目标的能级匹配时，就会发生共振，NV中心的状态会发生变化。

通过扫描调制频率，可以获得目标的电子顺磁共振(EPR)光谱，并且光谱峰的位置不再受NV中心空间取向的影响。

本工作采用EPR光谱法在原位条件下测量了纳米金刚石溶液环境中的离子。研究小组模拟纳米金刚石在细胞内的运动来检测溶液中的氧钒离子。

当存在纳米金刚石旋转时，很难对NV中心进行精确的量子操纵，但仍可以测量氧钒离子的零场EPR谱。

这一结果从原理上证明了利用纳米金刚石中的NV中心实现细胞内生理原位磁共振检测是可行的。

本工作检测到的氧钒离子本身就具有生物学功能。通过单个移动纳米金刚石测量的EPR谱可以分析获得氧钒离子的超精细常数。

研究团队此前已将单分子磁共振检测的检测条件从固态条件放宽到水溶液环境，此次工作进一步将其推广至原位环境。