2024年5月8日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀(guān)磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰及其同事石發(fā)展，與南京大學(xué)孔熙、德國(guó)烏爾姆大學(xué)Fedor Jelezko、德國(guó)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(píng)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(zhǎng)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(cè)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(jìn)展和未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向及應(yīng)用領(lǐng)域。論文指出經(jīng)過(guò)該領(lǐng)域全球?qū)W者十余年的共同努力，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)室溫大氣條件下單分子納米尺度磁共振的突破，為實(shí)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(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。此論文為金剛石單自旋量子精密測(cè)量及單分子尺度微觀(guān)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(biāo)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(zhǔn)確、快速和無(wú)破壞性的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。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(jiǎng)，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(cè)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(jì)的大量均一分子才能測(cè)得信號(hào)。若實(shí)現(xiàn)單分子磁共振，其既能繼承傳統(tǒng)磁共振的優(yōu)勢(shì)，又能直接揭示因大量分子平均而抹除的單個(gè)分子的獨(dú)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(cè)原理上革新。近年來(lái)，基于量子力學(xué)原理的金剛石NV色心單自旋量子精密測(cè)量被提出，其能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)高空間分辨率和亞納特斯拉高靈敏度的磁信號(hào)檢測(cè)，相比傳統(tǒng)磁共振分辨率提升百萬(wàn)倍、分子數(shù)靈敏度提升百億倍，是一項(xiàng)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(wú)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(guān)測(cè)單個(gè)分子的特性和行為，為在分子尺度理解生命過(guò)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(lái)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)始終聚焦自旋量子信息物理學(xué)領(lǐng)域，專(zhuān)注自旋量子操控技術(shù)發(fā)展和儀器研制，并推進(jìn)量子精密測(cè)量的交叉應(yīng)用研究。過(guò)去的十余年間，杜江峰院士、石發(fā)展教授等在國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中國(guó)科學(xué)院等長(zhǎng)期支持下聚焦單自旋量子精密測(cè)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(guó)際上率先實(shí)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(cè)得世界首張單蛋白質(zhì)分子順磁共振譜，開(kāi)啟單分子磁共振研究新領(lǐng)域[Science347,1135 (2015)]；實(shí)現(xiàn)納米核磁共振譜學(xué)新方法，先后測(cè)得5納米尺度質(zhì)子磁共振信號(hào)[Science 339, 561(2013)，國(guó)際合作]和一對(duì)核自旋的相互作用及原子級(jí)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(jìn)到溶液，首次實(shí)現(xiàn)水溶液中單DNA分子磁共振譜的探測(cè)[Nature Methods15, 697 (2018)]；發(fā)展納米金剛石量子傳感技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)原位溶液環(huán)境順磁共振譜學(xué)探測(cè) [Nature Communications 14,6278 (2023)]；發(fā)展了多量子傳感器關(guān)聯(lián)測(cè)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(cè)新方法等方面也做出了大量系統(tǒng)性工作，單自旋測(cè)磁靈敏度和納米順磁共振譜分辨率指標(biāo)均達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平。上述工作與國(guó)內(nèi)外其他研究團(tuán)隊(duì)成果一起，共同推動(dòng)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(jìn)步使得NV色心成為目前唯一能在室溫大氣條件下實(shí)現(xiàn)單分子磁共振測(cè)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(dòng)力學(xué)、化學(xué)環(huán)境解析、自旋電子學(xué)、單細(xì)胞磁共振成像、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)檢測(cè)等方向取得突破性進(jìn)展和廣泛應(yīng)用，形成新一代微觀(guān)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(kāi)始從實(shí)驗(yàn)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(jià)值和商業(yè)潛力。
此次受邀撰寫(xiě)的《現(xiàn)代物理評(píng)論》綜述論文長(zhǎng)達(dá)62頁(yè)，杜江峰院士作為受邀人領(lǐng)導(dǎo)了該論文的組織和撰寫(xiě)，全文由杜江峰、石發(fā)展、孔熙主筆撰寫(xiě)，所有作者共同修訂。文章詳細(xì)回顧了單分子量子傳感技術(shù)的發(fā)展歷史和研究進(jìn)展，包括各類(lèi)單分子尺度磁共振方法技術(shù)介紹、測(cè)量靈敏度的計(jì)算及退相干等限制因素分析、譜線(xiàn)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(xì)致深入分析了各類(lèi)方法的兼容性、單分子磁共振的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，并討論展望了單分子磁共振技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用方向，為未來(lái)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(píng)論》是國(guó)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(qǐng)?jiān)诟黝I(lǐng)域卓有建樹(shù)的物理學(xué)家執(zhí)筆，旨在對(duì)當(dāng)今物理研究的重大熱點(diǎn)問(wèn)題做歷史總結(jié)、原理闡述、現(xiàn)狀分析和趨向預(yù)測(cè)。論文需經(jīng)過(guò)國(guó)際同行的匿名評(píng)審方可發(fā)表。此論文是我國(guó)量子精密測(cè)量科學(xué)領(lǐng)域在該期刊發(fā)表的第一篇綜述論文，標(biāo)志著我國(guó)在單自旋量子精密測(cè)量及單分子磁共振領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先地位。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.96.025001
（中國(guó)科學(xué)院微觀(guān)磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院、科研部）
