給細胞內做直播？科學家拿出了鑽石打造的量子顯微鏡

原文以Quantum microscope offers MRI for molecules為標題

發布在2017年3月6日的《自然》新聞上

原文作者：Sara Reardon

基於鑽石的成像系統，可利用電子的磁共振探測帶電原子，以及實時觀察化學反應過程.

該新型顯微鏡，能夠提供銅離子的量子磁共振影像。David Simpson/University of Melbourne

通過鑽石打造的探頭，量子顯微鏡可以協助科研人員研究納米尺度微觀世界的奧秘，諸如DNA如何在細胞內摺疊、藥物如何作用、細菌如何代謝金屬等。至關重要的是，量子顯微鏡可以給溶液中的離子單獨成像，揭示正在發生的生物化學反應，而不干涉反應過程。2月14日，研究這種系統的一個團隊在ArXiv伺服器上發布預印本闡述了他們的研究成果。

如同醫用磁共振成像(MRI)設備可以揭示人體內部結構而不造成傷害一般，可以用於分子結構的類似成像系統一直是科研人員的嚮往。利用電子自旋形成量子級成像的量子磁共振成像技術的目標，正是為化學反應、包括含金屬離子的化學反應進行成像。現有的磁共振成像技術只能展示10微米或以上的結構。如果要探測細胞中的金屬離子，唯一的方法是加入可與之反應的化學物質，或者冷凍細胞以便可以在高倍顯微鏡下進行成像——這些過程都將殺死細胞。

醫用磁共振設備的原理是：將病人置於磁場中，人體內原子的質子會與設備內磁場的磁力線對齊；然後設備向人體待成像區域發射射頻脈衝，使得質子脫離對齊狀態；當脈衝結束時，質子重新對齊並釋放特定頻率的電磁波；如果人體組織釋放的電磁波頻率與設備中探測器的頻率合拍，兩個頻率會產生共振，就像調至同一音調的吉他琴弦一樣；此類設備利用這一共振重構人體影像。

在澳大利亞墨爾本大學，由物理學家Lloyd Hollenberg和David Simpson帶領的團隊希望通過這個技術探測細胞內的金屬離子。某些金屬離子對細胞有害，而另一些則為生物化學反應所需，比如參與新陳代謝的金屬離子。問題是，核磁共振探頭需要與待成像物體大致為同等尺寸。而對於觀測單一原子，這個要求目前還無法滿足。

帶缺陷的鑽石

為構建量子磁共振顯微鏡，科研人員採用了寬度為2毫米且晶體中含有原子級缺陷的鑽石。這些缺陷對磁場變化敏感，並且可以通過「調頻」讓其與待測分子或離子的自旋共振。當鑽石中的缺陷被綠光激光照射時，鑽石會發出紅色熒光，並且熒光光強取決於磁場的強度和方向。

Hollenberg、Simpson和同事們採用的鑽石在接近表面特定位置具有缺陷陣列，這個鑽石被置於緊靠待觀測樣品的顯微鏡末端。他們將缺陷的響應頻率調製到可以與缺失兩個電子的銅離子（Cu2+）的自旋共振。當鑽石探頭接觸含有銅離子樣品的表面時，兩者之間產生的頻率共振在鑽石的缺陷處激發了熒光。而後他們用計算機程序檢測鑽石缺陷處熒光的顏色並重構了樣品的影像，得以定位每個銅離子的精確位置。

接著，研究人員用某種酸液浸染樣品以使2價銅離子（Cu2+）獲取一個電子從而還原為1價銅離子（Cu+.）。他們邊對樣品施加酸液邊進行成像，過程中可以觀測到2價銅離子的自旋影像逐漸消失。隨後，在樣品暴露於空氣中的一小時過程中，1價銅離子被再次氧化為2價銅離子，原先的影像逐漸重新顯現。這個方法有一天將能夠幫助研究人員實時觀察細胞內發生的生物化學反應。

上圖中的袋鼠是通過量子磁共振成像顯微鏡探測附著於測試模板上的溶液中銅離子（Cu2+）製作的，其中顯影區域形成了一副圖案。（比例尺代表10微米）David Simpson/University of Melbourne

因為這種方法的非介入性，理論上它可以對活細胞的內部進行成像——這正是Simpson和 Hollenberg的團隊努力的方向。核心難點在於鑽石探頭要離樣品足夠近方能產生信號。但該團隊認為目前的方法對於理解藥物作用機理以及研究細胞膜上的蛋白質仍有幫助。科研人員也在努力使這個系統適用於探測包括鐵在內的各類金屬物質。

德國慕尼黑工業大學的物理學家Friedemann Reinhard稱讚了這項成果。他說:「他們的創新使得這個技術離實際應用的距離大幅縮短。」他的團隊也在和鑽石顯微鏡打交道，目標是構造一個可以對分子進行3D成像的系統。

他補充說，雖然這項新技術仍需改進，比如在低濃度的溶液中搜尋銅離子，但它「絕對已經向前邁了一大步」。

Nature|doi:10.1038/nature.2017.21573

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