2024年05月09日
中国科大在《现代物理评论》上发表单自旋量子精密测量综述论文

2024年5月8日,中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰及其同事石发展,与南京大学孔熙、德国乌尔姆大学Fedor Jelezko、德国斯图加特大学Jörg Wrachtrup等,应邀在囯际物理学权威综述期刊《现代物理评论》(Reviews of Modern Physics)上发表题为“基于金刚石量子传感器的单分子尺度磁共振谱学”(Single-moleculescale magnetic resonance spectroscopy using quantum diamond sensors)的长篇综述论文。该论文系统阐述了基于金刚石氮-空位色心(NV色心)单自旋量子精密测量(量子传感)的单分子磁共振技术,涵盖单分子磁共振的理论原理、方法、研究进展和未来技术发展方向及应用领域。论文指出经过该领域全球学者十余年的共同努力,已经实现室温大气条件下单分子纳米尺度磁共振的突破,为实现活体原位条件下的单分子磁共振及其在生物医学的实际应用奠定基础。此论文为金刚石单自旋量子精密测量及单分子尺度微观磁共振从基础研究到技术发展及应用指明了方向。

单分子科学和技术是物理、化学和生物等各学科的研究前沿。分子中含有丰富的自旋,且可以用自旋标记,因此自旋磁共振是研究分子的重要手段。磁共振技术在获取物质的组成和结构信息方面,拥有准确、快速和无破坏性的独特优势。传统磁共振领域从基础原理到应用研究先后被授予六次诺贝尔奖,磁共振谱学是结构生物学解析分子结构的重要手段,磁共振成像也是最常用的临床影像诊断技术之一,取得了重大的成功。然而受限于其探测方式,传统磁共振技术通常需要毫米尺度数以百亿计的大量均一分子才能测得信号。若实现单分子磁共振,其既能继承传统磁共振的优势,又能直接揭示因大量分子平均而抹除的单个分子的独特信息,是众多领域期盼的革命性技术之一。单分子磁共振的技术突破需从探测原理上革新。近年来,基于量子力学原理的金刚石NV色心单自旋量子精密测量被提出,其能够实现纳米级高空间分辨率和亚纳特斯拉高灵敏度的磁信号检测,相比传统磁共振分辨率提升百万倍、分子数灵敏度提升百亿倍,是一项典型的颠覆性新技术。以金刚石NV色心为代表的固态量子传感技术,无需真空低温等苛刻条件,可工作在室温大气、生理溶液、原位等各种宽松环境中,直接观测单个分子的特性和行为,为在分子尺度理解生命过程及相关生物医学应用提供了新的途径。

二十余年来,中国科学技术大学杜江峰院士领导的研究团队始终聚焦自旋量子信息物理学领域,专注自旋量子操控技术发展和仪器研制,并推进量子精密测量的交叉应用研究。过去的十余年间,杜江峰院士、石发展教授等在国家自然科学基金委、科技部、中国科学院等长期支持下聚焦单自旋量子精密测量技术发展和交叉研究,取得系统性的研究成果,在国际上率先实现单分子磁共振,引领了单分子磁共振谱学研究领域的发展。代表性成果包括:测得世界首张单蛋白质分子顺磁共振谱,开启单分子磁共振研究新领域[Science347,1135 (2015)];实现纳米核磁共振谱学新方法,先后测得5纳米尺度质子磁共振信号[Science 339, 561(2013),国际合作]和一对核自旋的相互作用及原子级结构解析[Nature Physics 10, 21(2014)];将单分子磁共振环境条件从固体推进到溶液,首次实现水溶液中单DNA分子磁共振谱的探测[Nature Methods15, 697 (2018)];发展纳米金刚石量子传感技术,进而实现原位溶液环境顺磁共振谱学探测 [Nature Communications 14,6278 (2023)];发展了多量子传感器关联测量技术[Nature Photonics 18, 230 (2024)]等。此外在单分子磁共振谱学的生物医学交叉应用和高分辨高灵敏探测新方法等方面也做出了大量系统性工作,单自旋测磁灵敏度和纳米顺磁共振谱分辨率指标均达国际领先水平。上述工作与国内外其他研究团队成果一起,共同推动了单分子尺度磁共振技术的突破和发展。这些技术的进步使得NV色心成为目前唯一能在室温大气条件下实现单分子磁共振测量的体系。随着技术障碍的逐步解决,其将在原位分子结构和动力学、化学环境解析、自旋电子学、单细胞磁共振成像、精准医学检测等方向取得突破性进展和广泛应用,形成新一代微观磁共振技术新领域。当前,基于NV色心的超高灵敏度和精确度量子传感,已经开始从实验室环境走向实际应用领域,展现出巨大的应用价值和商业潜力。

此次受邀撰写的《现代物理评论》综述论文长达62页,杜江峰院士作为受邀人领导了该论文的组织和撰写,全文由杜江峰、石发展、孔熙主笔撰写,所有作者共同修订。文章详细回顾了单分子量子传感技术的发展历史和研究进展,包括各类单分子尺度磁共振方法技术介绍、测量灵敏度的计算及退相干等限制因素分析、谱线分辨率和空间分辨率的主导因素和提升方法、量子传感器的制备集成等。尤其是文章最后细致深入分析了各类方法的兼容性、单分子磁共振的技术优势和挑战,并讨论展望了单分子磁共振技术的未来发展趋势和应用方向,为未来有志于从事该方向研究的青年人员提供参考。

《现代物理评论》是国际物理学界知名综述性期刊,每年仅发表约四十篇学术论文。该期刊一般不接受自由投稿,主要是邀请在各领域卓有建树的物理学家执笔,旨在对当今物理研究的重大热点问题做历史总结、原理阐述、现状分析和趋向预测。论文需经过国际同行的匿名评审方可发表。此论文是我国量子精密测量科学领域在该期刊发表的第一篇综述论文,标志着我国在单自旋量子精密测量及单分子磁共振领域处于国际领先地位。

论文链接:

https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.96.025001

(中国科学院微观磁共振重点实验室、物理学院、生物医学工程学院、科研部)

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