鉆石探頭量子顯微鏡可以探索納米微觀世界的奧秘
通過鉆石打造的探頭，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如何在細胞內折疊、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。
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，可以用于分子結構的類似成像系統一直是科研人員的向往。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：將病人置于磁場中，人體內原子的質子會與設備內磁場的磁力線對齊；然后設備向人體待成像區域發射射頻脈沖，使得質子脫離對齊狀態；當脈沖結束時，質子重新對齊并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。
帶缺陷的鉆石
為構建量子磁共振顯微鏡，科研人員采用了寬度為2毫米且晶體中含有原子級缺陷的鉆石。這些缺陷對磁場變化敏感，并且可以通過“調頻”讓其與待測分子或離子的自旋共振。當鉆石中的缺陷被綠光激光照射時，鉆石會發出紅色熒光，并且熒光光強取決于磁場的強度和方向。
科學研究者采用的鉆石在接近表面特定位置具有缺陷陣列，這個鉆石被置于緊靠待觀測樣品的顯微鏡末端。他們將缺陷的響應頻率調制到可以與缺失兩個電子的銅離子（Cu2+）的自旋共振。當鉆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鉆石的缺陷處激發了熒光。而后他們用計算機程序檢測鉆石缺陷處熒光的顏色并重構了樣品的影像，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。隨后，在樣品暴露于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。
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。核心難點在于鉆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于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于探測包括鐵在內的各類金屬物質。
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