Forscher haben das Stickstoff-Leerstellen-Zentrum (NV) in einem einzelnen Nanodiamanten für die Quantensensorik genutzt, um das Problem der zufälligen Teilchenrotation zu überwinden. Ihr Studium ist veröffentlicht In Naturkommunikation.
Moleküle unter physiologischen In-situ-Bedingungen nachweisen und analysieren zu können, ist ein wichtiges Ziel im Bereich der Lebenswissenschaften. Nur durch die Beobachtung von Biomolekülen unter diesen Bedingungen können wir Konformationsänderungen aufdecken, wenn sie physiologische Funktionen erfüllen.
Dank seiner hohen Empfindlichkeit, guten Biokompatibilität und den Eigenschaften der Magnetresonanzdetektion einzelner Moleküle in einer Atmosphäre bei Raumtemperatur eignet sich der NV-Center-Quantensensor besser für die physiologische In-situ-Detektion als herkömmliche Magnetspektralresonanzinstrumente.
Die Ergebnisse der Verfolgung der Bewegung von Nanodiamanten in lebenden Zellen zeigen jedoch, dass dieser sowohl innerhalb der Zelle als auch auf der Zellmembran zufällig rotiert, was die derzeit gängigen Magnetresonanz-Detektionsmethoden unwirksam macht.
Um dieses Problem zu lösen, entwarf das Forschungsteam eine Amplitudenmodulationssequenz, die eine Reihe gleichmäßig verteilter Energieniveaus im NV-Zentrum erzeugt.
Wenn das Energieniveau des NV-Zentrums mit dem Energieniveau des gemessenen Ziels übereinstimmt, tritt Resonanz auf und der Zustand des NV-Zentrums ändert sich.
Durch Scannen der Modulationsfrequenz kann die elektronenparamagnetische Resonanzspektroskopie (EPR) des Ziels erhalten werden, und die Position des Spektralpeaks wird nicht mehr durch die räumliche Ausrichtung des NV-Zentrums beeinflusst.
In dieser Arbeit wurden die Ionen in der Lösungsumgebung von Nanodiamant durch EPR-Spektroskopie unter In-situ-Bedingungen gemessen. Das Forschungsteam simulierte die Bewegung von Nanodiamanten in der Zelle, um die Lösung von Sauerstoff-Vanadium-Ionen zu erkennen.
Wenn eine Nanodiamantrotation vorliegt, ist es schwierig, eine genaue Quantenmanipulation der NV-Zentren durchzuführen, aber das Nullfeld-EPR-Spektrum von Oxo-Vanadiumionen kann trotzdem gemessen werden.
Dieses Ergebnis beweist grundsätzlich, dass es möglich ist, das NV-Zentrum in Nanodiamanten zu nutzen, um die Erkennung intrazellulärer physiologischer In-situ-Magnetresonanz zu realisieren.
Die in dieser Arbeit nachgewiesenen Sauerstoff-Vanadium-Ionen haben selbst biologische Funktionen. Die ultrafeine Konstante von Sauerstoff-Vanadium-Ionen kann durch das EPR-Spektrum eines einzelnen sich bewegenden Nanodiamanten analysiert und ermittelt werden.
Das Forschungsteam hat zuvor die Detektionsbedingungen der Einzelmolekül-Magnetresonanzdetektion von festen Bedingungen auf eine wässrige Lösungsumgebung gelockert und diese Arbeit weiter auf die In-situ-Umgebung ausgeweitet.
Die Forscher wurden von Prof. Du Jiangfeng, Prof. Shi Fazhan und Prof. Kong Fei von der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas der Chinesischen Akademie der Wissenschaften geleitet.
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Zhuoyang Qin et al., In-situ-elektronenparamagnetische Resonanzspektroskopie unter Verwendung einzelner Nanodiamantsensoren, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-41903-5
Bereitgestellt von der University of Science and Technology of China