重大突破！量子顯微鏡已經可以實時監測活細胞內部的化學反應

基於金剛石的成像系統使用電子磁共振來檢測帶電原子

自然雜誌 2017年3月7日 Sara Reardon

研究人員說，他們新開發的非侵入性成像技術，理論上可以用於對活細胞的內部成像。 圖片來源：John Bavosi Getty Images

使用由鑽石製造的感測器，新型量子顯微鏡可以讓研究人員研究納米級的神秘物理機制，比如DNA如何在細胞中摺疊，為什麼藥物起作用或細菌如何代謝金屬。 至關重要的是，顯微鏡可以對溶液中的單個離子成像，並在生化反應發生時顯示出實時圖像，而不會干擾反應過程。

研究人員長期以來一直想要一種用於分子結構的成像系統，其工作原理如醫院磁共振成像（MRI）機，這種顯微鏡能顯示人體內的結構而不傷害細胞。 量子MRI（使用電子自旋在量子水平上成像）是基於這樣的想法：對於包括涉及金屬離子的化學反應也是能做到無害探測。 當前的磁共振技術只能揭示測量10微米或更大的結構，並且檢測細胞內的金屬離子的唯一方法是添加反應性化學物質或凍結細胞，使得其可以在強大的顯微鏡下成像。

醫院MRI機器通過將患者放置在磁場內，使得身體原子中的質子與機器的磁體校準後開始工作。然後機器發送無線電脈衝通過被成像的身體區域，這時撞擊質子還沒有對準。 當這些脈衝關閉時，質子重新對準並以特定頻率發射電磁波。 如果身體組織發出的頻率與機器中的感測器匹配，則兩個頻率將諧振，就像調到相同音符的吉他弦。 機器使用這種共振來重建身體的圖像。

由物理學家Lloyd Hollenberg和澳大利亞墨爾本大學的David Simpson領導的團隊，想使用這種技術來檢測細胞中的金屬離子。 一些金屬離子可能對細胞有害，而其他金屬離子對於生物化學反應是必需的，例如參與代謝的那些。 結果是，MRI感測器需要與被成像的物品具有大致相同的尺寸，當你試圖查看單個原子時這是不可能的。

使用有瑕疵的鑽石

為了製造他們設想的量子MRI顯微鏡，研究人員使用了2毫米寬的鑽石， 其晶體結構中含有原子尺寸的缺陷 。 這些缺陷對磁場的變化敏感，並且可以被「調諧」以與被檢測的分子或離子的自旋共振。 當金剛石的缺陷用綠色激光照射時，金剛石發紅色，該熒光的亮度取決於施加的磁場的強度和方向。

Hollenberg，Simpson和他們的同事使用了這樣的鑽石鑽石：在其表面下方的特定位置有一系列缺陷，並將其放置在樣品旁邊的顯微鏡的末端。 研究人員將缺陷調諧到與缺少兩個電子（Cu 2+）的電離形式的銅的自旋共振的頻率。 通過將金剛石探針接觸包含銅離子的樣品的表面，在金剛石瑕疵中的兩種受激熒光之間的共振。 然後研究人員使用計算機程序來檢查來自金剛石缺陷的顏色，並重建樣品的圖像，從而可以揭示每個銅離子的精確位置。

接下來，研究人員用酸向Cu2 +中加入電子，將其轉化為Cu +，從而淹沒樣品。 當他們添加酸時，他們對樣品成像，觀察到Cu2 +旋轉模式消失。 隨著樣品在暴露於空氣中時被氧化成Cu 2+，該圖案在之後一小時的過程中重新出現。 這樣的方法有一天或許可以讓研究人員觀察細胞中發生的生物化學反應。

因為該方法是非侵入性的，它理論上可以用於對活細胞的內部成像 - 辛普森和霍倫伯格的團隊正在努力。 主要障礙是金剛石探針需要接近樣品以產生信號。 但團隊表示，目前的方法仍然有助於了解藥物機制和調查在細胞膜上發現的蛋白質。 研究人員還試圖升級系統，以便讓它可以檢測不同的金屬，包括鐵。

德國慕尼黑工業大學的物理學家Friedemann Reinhard稱讚這項工作。 「這種創新使這一技術更貼近實際應用，」他說。 他的團隊也在研製金剛石顯微鏡，正在創建一個可以在3D中探測分子結構的系統。

他補充說，雖然新技術仍然需要改進，例如在低濃度溶液中發現銅離子的能力，但它「絕對是一大進步」。

【科幻直通車】這個技術未來對於解開人類自身運作原理是至關重要的，我們如何思考？生命能否無限延續？都靠這個顯微鏡咯！

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