量子磁共振顯微鏡首次實現直接觀測人類生化過程

　　2017-02-27 07:55 6

　　配備上一個由鑽石做成的探測器以後，這個全新的顯微能以前所未有的精度來研究生化反應。

　　

　　可以毫不誇張地來說，磁共振成像是現代醫學的一大奇迹。通過無害的磁場以及電磁波，這項技術能夠以完全非侵入地方式向醫生提供病人身體詳細的3D圖片。而當磁共振成像技術更進一步后，它還甚至可以直接用來分析病人身體組織的生化成分。

　　這種升級版的磁共振成像技術叫做磁共振能譜。對於需要研究人體生化反應地醫生和科學家來說，這項技術將成為一大利器，並幫助他們檢測病人肌肉或者大腦中腫瘤地代謝情況。

　　然而，磁共振能譜帶來的升級並非完美，其中最大的問題就是它的圖像解析度只能達到10微米。而事實上，有許多生化反應都小於這個級別，對於它們，磁共振能譜技術完全無能為力。

　　因此，醫生和醫學研究者們長久以來的一個願望就是擁有一款精度足夠高，能夠直接觀測更加細微的生化活動的磁共振顯微鏡。

　　如今，他們這一願望實現了。澳大利亞墨爾本大學的大衛·辛普森（David Simpson）與他的團隊成功地造出了一款解析度高達300納米的磁共振顯微鏡，而這項突破最大的秘方則是——一個由鑽石打造的感測器。這個感測器的工作原理與數碼相機的CCD晶元類似。

　　簡單來說，磁共振成像的工作原理就是用一個高強度磁場迫使所有的原子核實現共振，換句話說，就是讓它們同向自旋。當這些進行共振的原子核受到電磁波照射后，它們將被激發並向外釋放每個原子特有的電磁波。通過分析這些特徵電磁波，我們就可以得知每個相應原子的位置，從而得到一副圖像。

　　這些特徵電磁波信號也會告訴我們這些原子之間化學鍵的類型，以及其中發生的生化反應。但是，這種成像技術的解析度的最大瓶頸在於電磁波感測器與樣品之間距離。

　　辛普森團隊這次發明了一種全新的技術。他使用了鑽石薄膜來製造磁共振感測器。而真正的秘訣則是埋在鑽石膜表面7納米處的氮原子陣列，陣列中的原子間隔為10納米。

　　植入這個陣列的最大好處就是氮原子可以發熒光，而熒光的顏色會對（發出特徵電磁波的）原子及其附近的電子自旋非常敏感，而這些自旋的信息，恰好就代表了原子所處的生化環境。

　　因此，附近原子的一切狀態改變都會令鑽石感測器上的氮原子矩陣產生的熒光顏色發生改變。辛普森團隊所要做的就是觀察並記錄下這些五顏六色的「煙花」。

　　『為了測試這項新技術，辛普森團隊對水溶液中的六水合銅離子（[Cu(H2O)6]2+）進行了檢測。為了讓金屬蛋白質可以吸收銅，在許多種相關的酶中都有六水合銅離子的存在。然而，由於無法在活體中直接進行觀測，銅元素的具體分佈，以及它在細胞發射信號時所扮演的角色，一直都是未知之謎。

　　而這一難題被辛普森團隊的量子磁共振顯微鏡解決了。在高解析度的下，他們可以在幾阿升（10-18 升）的容積內顯示二價銅離子的分佈。

　　辛普森團隊表示：「我們的成像解析度已經達到了衍射極限（300納米），對自旋的敏感度的也達到了仄摩（10-21摩爾）的範圍。」此外，這項技術還能顯示出這些離子所進行過的各種氧化還原反應。更可貴的是，所有這一切都可以在常溫環境中進行。

　　這一發明為生物化學的未來開闢了一條全新的道路。辛普森團隊表示：「我們的成果顯示，量子感測系統可以適應『真實』化學反應系統中那時刻變化的布朗環境，以及後續到來的在離子進行配體變換時的（電子）自旋環境變化。」

　　此項技術的誕生有可能顛覆人類對生物反應的認識。辛普森和他的團隊對該技術的未來也十分看好：「對於觀測納米級的基礎生化反應來說，量子磁共振顯微鏡是最完美的選擇——例如，發生在細胞膜附近的化學吸附和成鍵過程，或者原核細胞周質中的金瞬時屬離子濃度。」