给细胞内做直播?科学家拿出了钻石打造的量子显微镜
Nature自然科研 · 2017/04/11
通过钻石打造的探头,量子显微镜可以协助科研人员研究纳米尺度微观世界的奥秘,诸如DNA如何在细胞内折叠、药物如何作用、细菌如何代谢金属等。至关重要的是,量子显微镜可以给溶液中的离子单独成像,揭示正在发生的生物化学反应,而不干涉反应过程……

原文以Quantum microscope offers MRI for molecules为标题

发布在2017年3月6日的《自然》新闻上

原文作者:Sara Reardon

基于钻石的成像系统,可利用电子的磁共振探测带电原子,以及实时观察化学反应过程.


该新型显微镜,能够提供铜离子的量子磁共振影像。David Simpson/University of Melbourne

通过钻石打造的探头,量子显微镜可以协助科研人员研究纳米尺度微观世界的奥秘,诸如DNA如何在细胞内折叠、药物如何作用、细菌如何代谢金属等。至关重要的是,量子显微镜可以给溶液中的离子单独成像,揭示正在发生的生物化学反应,而不干涉反应过程。2月14日,研究这种系统的一个团队在ArXiv服务器上发布预印本阐述了他们的研究成果。

如同医用磁共振成像(MRI)设备可以揭示人体内部结构而不造成伤害一般,可以用于分子结构的类似成像系统一直是科研人员的向往。利用电子自旋形成量子级成像的量子磁共振成像技术的目标,正是为化学反应、包括含金属离子的化学反应进行成像。现有的磁共振成像技术只能展示10微米或以上的结构。如果要探测细胞中的金属离子,唯一的方法是加入可与之反应的化学物质,或者冷冻细胞以便可以在高倍显微镜下进行成像——这些过程都将杀死细胞。

医用磁共振设备的原理是:将病人置于磁场中,人体内原子的质子会与设备内磁场的磁力线对齐;然后设备向人体待成像区域发射射频脉冲,使得质子脱离对齐状态;当脉冲结束时,质子重新对齐并释放特定频率的电磁波;如果人体组织释放的电磁波频率与设备中探测器的频率合拍,两个频率会产生共振,就像调至同一音调的吉他琴弦一样;此类设备利用这一共振重构人体影像。

在澳大利亚墨尔本大学,由物理学家Lloyd Hollenberg和David Simpson带领的团队希望通过这个技术探测细胞内的金属离子。某些金属离子对细胞有害,而另一些则为生物化学反应所需,比如参与新陈代谢的金属离子。问题是,核磁共振探头需要与待成像物体大致为同等尺寸。而对于观测单一原子,这个要求目前还无法满足。

带缺陷的钻石

为构建量子磁共振显微镜,科研人员采用了宽度为2毫米且晶体中含有原子级缺陷的钻石。这些缺陷对磁场变化敏感,并且可以通过“调频”让其与待测分子或离子的自旋共振。当钻石中的缺陷被绿光激光照射时,钻石会发出红色荧光,并且荧光光强取决于磁场的强度和方向。

Hollenberg、Simpson和同事们采用的钻石在接近表面特定位置具有缺陷阵列,这个钻石被置于紧靠待观测样品的显微镜末端。他们将缺陷的响应频率调制到可以与缺失两个电子的铜离子(Cu2+)的自旋共振。当钻石探头接触含有铜离子样品的表面时,两者之间产生的频率共振在钻石的缺陷处激发了荧光。而后他们用计算机程序检测钻石缺陷处荧光的颜色并重构了样品的影像,得以定位每个铜离子的精确位置。

接着,研究人员用某种酸液浸染样品以使2价铜离子(Cu2+)获取一个电子从而还原为1价铜离子(Cu+.)。他们边对样品施加酸液边进行成像,过程中可以观测到2价铜离子的自旋影像逐渐消失。随后,在样品暴露于空气中的一小时过程中,1价铜离子被再次氧化为2价铜离子,原先的影像逐渐重新显现。这个方法有一天将能够帮助研究人员实时观察细胞内发生的生物化学反应。


上图中的袋鼠是通过量子磁共振成像显微镜探测附着于测试模板上的溶液中铜离子(Cu2+)制作的,其中显影区域形成了一副图案。(比例尺代表10微米)David Simpson/University of Melbourne

因为这种方法的非介入性,理论上它可以对活细胞的内部进行成像——这正是Simpson和 Hollenberg的团队努力的方向。核心难点在于钻石探头要离样品足够近方能产生信号。但该团队认为目前的方法对于理解药物作用机理以及研究细胞膜上的蛋白质仍有帮助。科研人员也在努力使这个系统适用于探测包括铁在内的各类金属物质。

德国慕尼黑工业大学的物理学家Friedemann Reinhard称赞了这项成果。他说:“他们的创新使得这个技术离实际应用的距离大幅缩短。”他的团队也在和钻石显微镜打交道,目标是构造一个可以对分子进行3D成像的系统。

他补充说,虽然这项新技术仍需改进,比如在低浓度的溶液中搜寻铜离子,但它“绝对已经向前迈了一大步”。

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