2024年5月8日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室杜江峰及其同事石發(fā)展，與南京大學(xué)孔熙、德國烏爾姆大學(xué)Fedor Jelezko、德國斯圖加特大學(xué)J?rg Wrachtrup等，應(yīng)邀在囯際物理學(xué)權(quán)威綜述期刊《現(xiàn)代物理評論》（Reviews of Modern Physics）上發(fā)表題為“基于金剛石量子傳感器的單分子尺度磁共振譜學(xué)”（Single-moleculescale magnetic resonance spectroscopy using quantum diamond sensors）的長篇綜述論文。該論文系統(tǒng)闡述了基于金剛石氮-空位色心（NV色心）單自旋量子精密測量（量子傳感）的單分子磁共振技術(shù)，涵蓋單分子磁共振的理論原理、方法、研究進展和未來技術(shù)發(fā)展方向及應(yīng)用領(lǐng)域。論文指出經(jīng)過該領(lǐng)域全球?qū)W者十余年的共同努力，已經(jīng)實現(xiàn)室溫大氣條件下單分子納米尺度磁共振的突破，為實現(xiàn)活體原位條件下的單分子磁共振及其在生物醫(yī)學(xué)的實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。此論文為金剛石單自旋量子精密測量及單分子尺度微觀磁共振從基礎(chǔ)研究到技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用指明了方向。
單分子科學(xué)和技術(shù)是物理、化學(xué)和生物等各學(xué)科的研究前沿。分子中含有豐富的自旋，且可以用自旋標記，因此自旋磁共振是研究分子的重要手段。磁共振技術(shù)在獲取物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)信息方面，擁有準確、快速和無破壞性的獨特優(yōu)勢。傳統(tǒng)磁共振領(lǐng)域從基礎(chǔ)原理到應(yīng)用研究先后被授予六次諾貝爾獎，磁共振譜學(xué)是結(jié)構(gòu)生物學(xué)解析分子結(jié)構(gòu)的重要手段，磁共振成像也是最常用的臨床影像診斷技術(shù)之一，取得了重大的成功。然而受限于其探測方式，傳統(tǒng)磁共振技術(shù)通常需要毫米尺度數(shù)以百億計的大量均一分子才能測得信號。若實現(xiàn)單分子磁共振，其既能繼承傳統(tǒng)磁共振的優(yōu)勢，又能直接揭示因大量分子平均而抹除的單個分子的獨特信息，是眾多領(lǐng)域期盼的革命性技術(shù)之一。單分子磁共振的技術(shù)突破需從探測原理上革新。近年來，基于量子力學(xué)原理的金剛石NV色心單自旋量子精密測量被提出，其能夠?qū)崿F(xiàn)納米級高空間分辨率和亞納特斯拉高靈敏度的磁信號檢測，相比傳統(tǒng)磁共振分辨率提升百萬倍、分子數(shù)靈敏度提升百億倍，是一項典型的顛覆性新技術(shù)。以金剛石NV色心為代表的固態(tài)量子傳感技術(shù)，無需真空低溫等苛刻條件，可工作在室溫大氣、生理溶液、原位等各種寬松環(huán)境中，直接觀測單個分子的特性和行為，為在分子尺度理解生命過程及相關(guān)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了新的途徑。
二十余年來，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊始終聚焦自旋量子信息物理學(xué)領(lǐng)域，專注自旋量子操控技術(shù)發(fā)展和儀器研制，并推進量子精密測量的交叉應(yīng)用研究。過去的十余年間，杜江峰院士、石發(fā)展教授等在國家自然科學(xué)基金委、科技部、中國科學(xué)院等長期支持下聚焦單自旋量子精密測量技術(shù)發(fā)展和交叉研究，取得系統(tǒng)性的研究成果，在國際上率先實現(xiàn)單分子磁共振，引領(lǐng)了單分子磁共振譜學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展。代表性成果包括：測得世界首張單蛋白質(zhì)分子順磁共振譜，開啟單分子磁共振研究新領(lǐng)域[Science347,1135 (2015)]；實現(xiàn)納米核磁共振譜學(xué)新方法，先后測得5納米尺度質(zhì)子磁共振信號[Science 339, 561(2013)，國際合作]和一對核自旋的相互作用及原子級結(jié)構(gòu)解析[Nature Physics 10, 21(2014)]；將單分子磁共振環(huán)境條件從固體推進到溶液，首次實現(xiàn)水溶液中單DNA分子磁共振譜的探測[Nature Methods15, 697 (2018)]；發(fā)展納米金剛石量子傳感技術(shù)，進而實現(xiàn)原位溶液環(huán)境順磁共振譜學(xué)探測 [Nature Communications 14,6278 (2023)]；發(fā)展了多量子傳感器關(guān)聯(lián)測量技術(shù)[Nature Photonics 18, 230 (2024)]等。此外在單分子磁共振譜學(xué)的生物醫(yī)學(xué)交叉應(yīng)用和高分辨高靈敏探測新方法等方面也做出了大量系統(tǒng)性工作，單自旋測磁靈敏度和納米順磁共振譜分辨率指標均達國際領(lǐng)先水平。上述工作與國內(nèi)外其他研究團隊成果一起，共同推動了單分子尺度磁共振技術(shù)的突破和發(fā)展。這些技術(shù)的進步使得NV色心成為目前唯一能在室溫大氣條件下實現(xiàn)單分子磁共振測量的體系。隨著技術(shù)障礙的逐步解決，其將在原位分子結(jié)構(gòu)和動力學(xué)、化學(xué)環(huán)境解析、自旋電子學(xué)、單細胞磁共振成像、精準醫(yī)學(xué)檢測等方向取得突破性進展和廣泛應(yīng)用，形成新一代微觀磁共振技術(shù)新領(lǐng)域。當(dāng)前，基于NV色心的超高靈敏度和精確度量子傳感，已經(jīng)開始從實驗室環(huán)境走向?qū)嶋H應(yīng)用領(lǐng)域，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價值和商業(yè)潛力。
此次受邀撰寫的《現(xiàn)代物理評論》綜述論文長達62頁，杜江峰院士作為受邀人領(lǐng)導(dǎo)了該論文的組織和撰寫，全文由杜江峰、石發(fā)展、孔熙主筆撰寫，所有作者共同修訂。文章詳細回顧了單分子量子傳感技術(shù)的發(fā)展歷史和研究進展，包括各類單分子尺度磁共振方法技術(shù)介紹、測量靈敏度的計算及退相干等限制因素分析、譜線分辨率和空間分辨率的主導(dǎo)因素和提升方法、量子傳感器的制備集成等。尤其是文章最后細致深入分析了各類方法的兼容性、單分子磁共振的技術(shù)優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，并討論展望了單分子磁共振技術(shù)的未來發(fā)展趨勢和應(yīng)用方向，為未來有志于從事該方向研究的青年人員提供參考。
《現(xiàn)代物理評論》是國際物理學(xué)界知名綜述性期刊，每年僅發(fā)表約四十篇學(xué)術(shù)論文。該期刊一般不接受自由投稿，主要是邀請在各領(lǐng)域卓有建樹的物理學(xué)家執(zhí)筆，旨在對當(dāng)今物理研究的重大熱點問題做歷史總結(jié)、原理闡述、現(xiàn)狀分析和趨向預(yù)測。論文需經(jīng)過國際同行的匿名評審方可發(fā)表。此論文是我國量子精密測量科學(xué)領(lǐng)域在該期刊發(fā)表的第一篇綜述論文，標志著我國在單自旋量子精密測量及單分子磁共振領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.96.025001
（中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室、物理學(xué)院、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院、科研部）
