基于钻石的成像系统,可利用电子的磁共振探测带电原子,以及实时观察化学反应过程.
通过钻石打造的探头,量子显微镜可以协助科研人员研究纳米尺度微观世界的奥秘,诸如DNA如何在细胞内折叠、药物如何作用、细菌如何代谢金属等。至关重要的是,量子显微镜可以给溶液中的离子单独成像,揭示正在发生的生物化学反应,而不干涉反应过程。2月14日,研究这种系统的一个团队在ArXiv服务器上发布预印本阐述了他们的研究成果。
如同医用磁共振成像(MRI)设备可以揭示人体内部结构而不造成伤害一般,可以用于分子结构的类似成像系统一直是科研人员的向往。利用电子自旋形成量子级成像的量子磁共振成像技术的目标,正是为化学反应、包括含金属离子的化学反应进行成像。现有的磁共振成像技术只能展示10微米或以上的结构。如果要探测细胞中的金属离子,唯一的方法是加入可与之反应的化学物质,或者冷冻细胞以便可以在高倍显微镜下进行成像——这些过程都将杀死细胞。
医用磁共振设备的原理是:将病人置于磁场中,人体内原子的质子会与设备内磁场的磁力线对齐;然后设备向人体待成像区域发射射频脉冲,使得质子脱离对齐状态;当脉冲结束时,质子重新对齐并释放特定频率的电磁波;如果人体组织释放的电磁波频率与设备中探测器的频率合拍,两个频率会产生共振,就像调至同一音调的吉他琴弦一样;此类设备利用这一共振重构人体影像。
在澳大利亚墨尔本大学,由物理学家Lloyd Hollenberg和David Simpson带领的团队希望通过这个技术探测细胞内的金属离子。某些金属离子对细胞有害,而另一些则为生物化学反应所需,比如参与新陈代谢的金属离子。问题是,核磁共振探头需要与待成像物体大致为同等尺寸。而对于观测单一原子,这个要求目前还无法满足。
带缺陷的钻石
为构建量子磁共振显微镜,科研人员采用了宽度为2毫米且晶体中含有原子级缺陷的钻石。这些缺陷对磁场变化敏感,并且可以通过“调频”让其与待测分子或离子的自旋共振。当钻石中的缺陷被绿光激光照射时,钻石会发出红色荧光,并且荧光光强取决于磁场的强度和方向。
Hollenberg、Simpson和同事们采用的钻石在接近表面特定位置具有缺陷阵列,这个钻石被置于紧靠待观测样品的显微镜末端。他们将缺陷的响应频率调制到可以与缺失两个电子的铜离子(Cu2+)的自旋共振。当钻石探头接触含有铜离子样品的表面时,两者之间产生的频率共振在钻石的缺陷处激发了荧光。而后他们用计算机程序检测钻石缺陷处荧光的颜色并重构了样品的影像,得以定位每个铜离子的精确位置。
接着,研究人员用某种酸液浸染样品以使2价铜离子(Cu2+)获取一个电子从而还原为1价铜离子(Cu+.)。他们边对样品施加酸液边进行成像,过程中可以观测到2价铜离子的自旋影像逐渐消失。随后,在样品暴露于空气中的一小时过程中,1价铜离子被再次氧化为2价铜离子,原先的影像逐渐重新显现。这个方法有一天将能够帮助研究人员实时观察细胞内发生的生物化学反应。
因为这种方法的非介入性,理论上它可以对活细胞的内部进行成像——这正是Simpson和 Hollenberg的团队努力的方向。核心难点在于钻石探头要离样品足够近方能产生信号。但该团队认为目前的方法对于理解药物作用机理以及研究细胞膜上的蛋白质仍有帮助。科研人员也在努力使这个系统适用于探测包括铁在内的各类金属物质。
德国慕尼黑工业大学的物理学家Friedemann Reinhard称赞了这项成果。他说:“他们的创新使得这个技术离实际应用的距离大幅缩短。”他的团队也在和钻石显微镜打交道,目标是构造一个可以对分子进行3D成像的系统。
他补充说,虽然这项新技术仍需改进,比如在低浓度的溶液中搜寻铜离子,但它“绝对已经向前迈了一大步”。
原文以Quantum microscope offers MRI for molecules为标题
发布在2017年3月6日的《自然》新闻上
原文作者:Sara Reardon
来源:Nature自然科研(微信号 macmillan-nature)
为你推荐

悦唯医疗完成近亿元A++轮投资,加速重症冠心病诊疗全流程创新器械研发与国产替代
此次融资将主要用于深化冠心病诊疗全流程创新器械和脉动式左心室辅助系统等新产品的研发,以及加速已获准上市的心脏稳定器等产品的市场推广。
2025-04-03 09:28

海尔盈康一生启动孤独症儿童关爱行动,创新罕见病可持续公益新生态
本次活动聚焦孤独症儿童的诊疗,探讨交流AI赋能全流程防治康体系创新、前沿性生物科技诊疗技术等话题,旨在通过生态联盟的力量推动医学研究、科技创新与人文关怀的融合,让“星...
2025-04-03 09:11

《NPJ digital medicine》刊发李冬梅教授团队成果:AI赋能高效识别眼睑肿物
亚太眼整形外科学会主席、中华医学会眼科分会眼整形眼眶病学组副组长李冬梅教授团队携手爱尔数字眼科研究所,在《NPJ digital medicine》(影响因子:12 4)学术期刊发表团队...
文/李林 2025-04-02 10:27

默克全球执行副总裁周虹:合作与创新是默克未来五年战略的两大关键词
近日,德国默克医药健康全球执行副总裁、中国及国际市场负责人周虹带领医药健康中国及国际市场管理团队开启了2025年度首次“中国行”。
2025-04-01 17:11

首个且唯一,阿斯利康PD-L1单抗获FDA批准治疗肌层浸润性膀胱癌
度伐利尤单抗联合吉西他滨和顺铂作为新辅助治疗,随后度伐利尤单抗作为根治性膀胱切除术后的辅助单药治疗,用于治疗肌层浸润性膀胱癌成年患者。
2025-04-01 14:37

全国首个,湖北为脑机接口医疗服务定价
昨日(3月31日),据“湖北发布”消息,湖北省医保局发布全国首个脑机接口医疗服务价格,其中,侵入式脑机接口置入费6552元 次,侵入式脑机接口取出费3139元 次,非侵入式脑机...
2025-04-01 11:03

一款国产创新流感药,获批
近日,据国家药监局官网信息显示,青峰医药下属子公司江西科睿药自主研发的1类创新药玛舒拉沙韦片(商品名:伊速达)正式获批上市,用于既往健康的12岁及以上青少年和成人单纯性...
2025-04-01 10:22

26省联盟药品集采启动,聚焦妇科用药和造影剂
近日,山西省药械集中招标采购中心发布《关于做好二十六省联盟药品集中带量采购品种数据填报工作的通知》,开展相关采购数据填报工作。
2025-03-31 21:48

优时比罗泽利昔珠单抗注射液(优迪革)中国获批,全球首个且唯一双亚型创新药治疗全身型重症肌无力
作为唯一人源化、高亲和力且具备创新修饰结构的IgG4单抗,关键Ⅲ期MycarinG试验证实罗泽利昔珠单抗注射液(优迪革®)较安慰剂显著改善全身型重症肌无力患者的多个临床终点与结局。
2025-03-31 15:58

从手术麻醉到生命全周期护航,麻醉学科发展拓宽生命边界
3月26日,由中华医学会麻醉学分会、中国医师协会麻醉学医师分会等23家学协会共同举办的2025年中国麻醉周学术活动的启动仪式举办,该活动以“生命之重,大医精诚——守生命保驾护...
2025-03-31 15:30

欧狄沃联合逸沃成为中国目前唯一获批的肝细胞癌一线双免疫联合疗法
欧狄沃联合逸沃对比仑伐替尼或索拉非尼,可显著改善不可切除肝细胞癌一线患者的总生存期(OS),客观缓解率(ORR)可改善近3倍,中位缓解持续时间(mDOR)达30个月
2025-03-31 13:45

罗氏制药榜首 “现金牛” 产品罗可适(奥瑞利珠单抗)在华获批:开启多发性硬化症一年两次治疗新时代
罗氏制药今日(3月31日)宣布,其旗下创新药罗可适®(Ocrevus®,通用名:奥瑞利珠单抗注射液 ocrelizumab injection)正式获得中国国家药品监督管理局批准,每六个月静脉输...
2025-03-31 13:39

三生有幸,医者仁心:三生制药向全体医药工作者致敬!
3月30日是国际医师节,由三生制药公益支持的以“三生有幸,医者仁心”为主题的公益活动,携手20位医生代表,以寄语海报的形式,共同向全体医护人员表达诚挚的祝福与关爱。
2025-03-30 17:38

新版药典自2025年10月1日起实施
3月25日,国家药监局官网发布《国家药监局 国家卫生健康委关于颁布2025年版的公告(2025年第29号)》,2025年版《中国药典》自2025年10月1日起施行。
2025-03-30 17:07