給細(xì)胞內(nèi)做“直播”？科學(xué)家研制出新型量子顯微鏡

 通過鉆石打造的探頭，量子顯微鏡可以協(xié)助科研人員研究納米尺度微觀世界的奧秘，諸如 DNA 如何在細(xì)胞內(nèi)折疊、藥物如何作用、細(xì)菌如何代謝金屬等。至關(guān)重要的是，量子顯微鏡可以給溶液中的離子單獨成像，揭示正在發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)，而不干涉反應(yīng)過程。
 該新型顯微鏡，能夠提供銅離子的量子磁共振影像。David Simpson/University of Melbourne　　

 通過鉆石打造的探頭，量子顯微鏡可以協(xié)助科研人員研究納米尺度微觀世界的奧秘，諸如 DNA 如何在細(xì)胞內(nèi)折疊、藥物如何作用、細(xì)菌如何代謝金屬等。至關(guān)重要的是，量子顯微鏡可以給溶液中的離子單獨成像，揭示正在發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)，而不干涉反應(yīng)過程。2月14日，研究這種系統(tǒng)的一個團隊在 ArXiv 服務(wù)器上發(fā)布預(yù)印本闡述了他們的研究成果。

 如同醫(yī)用磁共振成像 (MRI) 設(shè)備可以揭示人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)而不造成傷害一般，可以用于分子結(jié)構(gòu)的類似成像系統(tǒng)一直是科研人員的向往。利用電子自旋形成量子級成像的量子磁共振成像技術(shù)的目標(biāo)，正是為化學(xué)反應(yīng)、包括含金屬離子的化學(xué)反應(yīng)進行成像?，F(xiàn)有的磁共振成像技術(shù)只能展示10微米或以上的結(jié)構(gòu)。如果要探測細(xì)胞中的金屬離子，唯一的方法是加入可與之反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，或者冷凍細(xì)胞以便可以在高倍顯微鏡下進行成像——這些過程都將殺死細(xì)胞。
 醫(yī)用磁共振設(shè)備的原理是：將病人置于磁場中，人體內(nèi)原子的質(zhì)子會與設(shè)備內(nèi)磁場的磁力線對齊；然后設(shè)備向人體待成像區(qū)域發(fā)射射頻脈沖，使得質(zhì)子脫離對齊狀態(tài)；當(dāng)脈沖結(jié)束時，質(zhì)子重新對齊并釋放特定頻率的電磁波；如果人體組織釋放的電磁波頻率與設(shè)備中探測器的頻率合拍，兩個頻率會產(chǎn)生共振，就像調(diào)至同一音調(diào)的吉他琴弦一樣；此類設(shè)備利用這一共振重構(gòu)人體影像。
 在澳大利亞墨爾本大學(xué)，由物理學(xué)家 Lloyd Hollenberg 和 David Simpson 帶領(lǐng)的團隊希望通過這個技術(shù)探測細(xì)胞內(nèi)的金屬離子。某些金屬離子對細(xì)胞有害，而另一些則為生物化學(xué)反應(yīng)所需，比如參與新陳代謝的金屬離子。問題是，核磁共振探頭需要與待成像物體大致為同等尺寸。而對于觀測單一原子，這個要求目前還無法滿足。
 帶缺陷的鉆石
 為構(gòu)建量子磁共振顯微鏡，科研人員采用了寬度為 2 毫米且晶體中含有原子級缺陷的鉆石。這些缺陷對磁場變化敏感，并且可以通過“調(diào)頻”讓其與待測分子或離子的自旋共振。當(dāng)鉆石中的缺陷被綠光激光照射時，鉆石會發(fā)出紅色熒光，并且熒光光強取決于磁場的強度和方向。
 Hollenberg、Simpson 和同事們采用的鉆石在接近表面特定位置具有缺陷陣列，這個鉆石被置于緊靠待觀測樣品的顯微鏡末端。他們將缺陷的響應(yīng)頻率調(diào)制到可以與缺失兩個電子的銅離子（Cu2+）的自旋共振。當(dāng)鉆石探頭接觸含有銅離子樣品的表面時，兩者之間產(chǎn)生的頻率共振在鉆石的缺陷處激發(fā)了熒光。而后他們用計算機程序檢測鉆石缺陷處熒光的顏色并重構(gòu)了樣品的影像，得以定位每個銅離子的精確位置。
 接著，研究人員用某種酸液浸染樣品以使 2 價銅離子（Cu2+）獲取一個電子從而還原為 1 價銅離子（Cu+.）。他們邊對樣品施加酸液邊進行成像，過程中可以觀測到 2 價銅離子的自旋影像逐漸消失。隨后，在樣品暴露于空氣中的一小時過程中，1 價銅離子被再次氧化為 2 價銅離子，原先的影像逐漸重新顯現(xiàn)。這個方法有一天將能夠幫助研究人員實時觀察細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)。

  因為這種方法的非介入性，理論上它可以對活細(xì)胞的內(nèi)部進行成像——這正是 Simpson 和 Hollenberg 的團隊努力的方向。核心難點在于鉆石探頭要離樣品足夠近方能產(chǎn)生信號。但該團隊認(rèn)為目前的方法對于理解藥物作用機理以及研究細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)仍有幫助。科研人員也在努力使這個德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的物理學(xué)家 Friedemann Reinhard 稱贊了這項成果。他說:“他們的創(chuàng)新使得這個技術(shù)離實際應(yīng)用的距離大幅縮短。”他的團隊也在和鉆石顯微鏡打交道，目標(biāo)是構(gòu)造一個可以對分子進行 3D 成像的系統(tǒng)。
 他補充說，雖然這項新技術(shù)仍需改進，比如在低濃度的溶液中搜尋銅離子，但它“絕對已經(jīng)向前邁了一大步”。
 編輯點評
 新型量子顯微鏡能夠提供銅離子的量子磁共振影像，揭示正在發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)，而不干涉反應(yīng)過程，這在科研創(chuàng)新領(lǐng)域又有了新的突破，今后將更廣泛地應(yīng)用于生物學(xué)領(lǐng)域。