近日,中科大微观磁共振重点实验室杜江峰院士、石发展教授等,与爱荷华大学巫晓东教授合作,在金刚石氮-空位(NV)色心体系的量子精密测量方面取得了新进展。

团队运用了一种模仿人脑神经网络的人工算法——“深度学习”法,此方法在模式识别和噪声消除方面,具有很强的能力。

他们对基于金刚石量子精密测量技术的纳米核磁共振二维谱进行加速,将探测效率提高近一个量级。实验成果以论文“Artificial intelligence enhanced two-dimensional nanoscale nuclear magnetic resonance spectroscopy”,发表在《自然》杂志中的量子信息板块[2]。

量子精密测量

核磁共振的最大优点是它是目前少有的对人体没有任何伤害的安全、快速、准确的临床诊断方法,在结构生物学和临床医学上具有广泛应用。

金刚石氮-空位(NV)色心,作为一种出色的量子传感器,可以实现纳米级别甚至单分子中的核磁共振。

量子精密测量技术大突破,应用正当时,国仪量子成果斐然-量子客
图1|金刚石中的氮-空位色心(来源:NIST)

中科大微观磁共振重点实验室,基于NV色心的纳米核磁共振,首次以一对耦合的碳-13核自旋为探测对象,实现纳米二维核磁共振谱。

实验中,由于微观核磁信号极弱,所以信号的积累通常需要耗费很长时间,才能获取较高信噪比。

研究团队在论文中提出,结合深度学习与稀疏矩阵填充的方法,可以加速二维纳米核磁共振谱的探测。

通过人工智能协议,在单核自旋簇的二维纳米二维核磁共振谱上以10%的采样率,覆盖范围内可以使信噪比增强近4倍(5.7 ± 1.3dB)。

与传统的多维核磁共振一样,必须使用更有效的数据积累和处理方法,才能以高空间分辨率的氮空位传感器实现适用的二维纳米尺度二维核磁共振谱,应用于纳米尺度下单分子的结构解析。

人工智能算法增强的二维纳米核磁共振谱,从本质上抑制了观测噪声,提高了灵敏度。

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图2|(a)采取深度学习算法之后,可以从少量的信息中提取复杂的纳米核磁谱线信息,从而大大提高实验测量效率。(b) 深度学习结合矩阵填充算法在保持重构能力的同时可以去除掉偏倚(来源:Nature)

国内的应用

国仪量子[3]基于光探测磁共振技术,研发生产量子钻石单自旋谱仪[4],运用基于NV色心的量子精密测量技术,也可以实现纳米核磁共振,开展纳米尺度二维核磁共振谱测量等相关实验研究工作。

该谱仪是国际首台商用的光探测磁共振谱仪,性能稳定,功能强大,将更好地助力科研工作者更加便捷地完成相关研究。

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图3|量子钻石单自旋谱仪(来源:国仪量子)

量子钻石单自旋谱仪是一台基于氮-空位(NV色心)的以自旋磁共振为原理的量子实验平台,通过控制光、电、磁等基本物理量,实现对钻石中NV色心发光缺陷的自旋进行量子操控与读出。

与传统顺磁共振、核磁共振相比,具有初态是量子纯态,自旋量子相干时间长,量子操控能力强大,量子塌缩测量实验结果直观等独特优势。

量子钻石单自旋谱仪在谱学分析和结构解析等应用中具有独到优势,可实现单蛋白等单分子电子顺磁共振,纳米尺度核磁共振,活体细胞温度、磁场、动作电位探测等。

作用机制

为了找出某些疾病的成因,科学家使用能够发出荧光的蛋白质或染料,来标示观察的目标。

这些物质有的荧光表现不持久,有的具有毒性,而且不易在生物体内追踪观察。

纳米金刚石则能克服这些缺陷,位于纳米金刚石结构中的氮-空位(NV)色心,可以吸收黄绿光的能量,使纳米金刚石发出红色荧光。

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图4|荧光纳米金刚石(来源:FND biotech)

这种荧光表现持久,在生物体内的穿透性好,适合用来进行活体研究,而且纳米金刚石由碳所构成,不具毒性,也不影响细胞活动。细胞会自动将其“吞进”内部,应用范围广泛。

近日,英国伦敦大学的Benjamin S. Miller等与Rachel A. McKendry课题组合作,研究了荧光纳米金刚石作为体外诊断的超灵敏标签,利用微波场调节发射强度和频域分析,将信号与背景荧光信号分离,突破了灵敏度的限制。研究成果以论文“Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics”,发表在《自然》杂志上[6]。

 

病毒的解决方案

科学家利用纳米等级的金刚石携带抗癌药物,进入人体中癌细胞的所在位置,杀死癌细胞并大大降低副作用。

4-6纳米的纳米金刚石,进入血管后可以躲过人体内的免疫细胞,不会被当作外来物被清除掉,而且纳米金刚石会被吸附在红血球表面,随着红血球在血管中流动,并流至肿瘤周围大量的新生血管,接近癌细胞。

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图5|纳米金刚石输送药物(来源:Medgadget)

科学家指出,癌细胞周围环境的酸碱值与正常细胞不同,因此连接在纳米金刚石上的抗癌药物会随酸碱值而脱落,病毒杀癌细胞。

这种让药物在癌细胞附近释放的方法,可以减少抗癌药物的使用剂量,因而降低药物对身体的影响。

同样,碳原子的构成使其不具毒性,材料也相对便宜,使用纳米金刚石作为药物运送工具,可以让癌症治疗更有效率,替未来的癌症治疗开启了另一条康庄大道。

 

研究的意义

在该研究中,研究人员主要利用了金刚石氮-空位(NV)色心的量子特性。这种特性允许通过微波场调控的方式,对靶向分子发出的荧光信号进行调节,将信号固定在设定好的频率上,从而将目标荧光信号与背景信号分离,实现低浓度检测。

基于此,研究人员对生物素-亲和素模型的检测极限达到了8.2×10-19摩尔,对HIV病毒检测的实验中,比传统使用金纳米颗粒的检测灵敏度提高了98000倍。

此外,由于HIV病毒相对于抗原和抗体能够更早的被检测到(分别提早7天与16天),因此与现有的基于实验室的核酸检测或即时蛋白检测相比,该技术提供了更早诊断的潜力。

除了HIV病毒之外,该技术还适用于SARS-CoV-2病毒,并正在进行新冠病毒的试点。

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图6|对抗新冠病毒(来源:ECRIN)

基于纸的测向流动测试避免了繁琐的实验室分析,显著提升了测试便捷性与及时性,同时大大降低了成本,使得它们在资源贫乏地区特别适用。且该技术非常灵活,可以轻松适应其他疾病和生物标记物类型。

当下研究团队正在进行该技术在新冠病毒检测方面的研究,这种变革性的新技术将使患者受益,并保护人们免受传染病的侵害。

目前,该技术已经成功在实验室环境中进行了演示,但是,研究人员希望进行进一步的测试,以便可以使用智能手机或便携式荧光读取器读取结果。这意味着将来可以在资源较少的环境中进行测试,从而更便捷的进行病毒检测。

 

参考链接:

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/V_0zZ9KWjn-oOdTe15NSnw

[2]https://www.nature.com/articles/s41534-020-00311-z

[3]https://www.ciqtek.com/

[4]https://www.ciqtek.com/product/6

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/69N8qASk1R4sgFYiVrh-lg

[6]https://www.nature.com/articles/s41586-020-2917-1

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:Sakura