《基於量子干涉儀的單分子探測方法的實驗研究》是依託中國科學技術大學，由石發展擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於量子干涉儀的單分子探測方法的實驗研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：石發展
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
單分子成分和結構解析及動力學行為探測是生物、化學及材料等領域的關鍵問題和不懈追求的目標之一。分子中富含自旋或可以用自旋進行標定，因此自旋磁共振是達成此目標的途徑之一。面向數以億計的系綜樣品的傳統自旋磁共振技術能夠用來準確、快速和無破壞性地獲取物質的組成和結構上的信息，廣泛套用於生物和化學等領域。受限於傳統磁共振的探測方式，其難以實現單分子靈敏度的探測。為實現單分子探測的科學目標，本項目選取金剛石中氮-空位中心的固態電子自旋作為探針，原子尺度和室溫下長達毫秒的相干時間是此體系的兩大優勢。用量子操控將單電子自旋態製備成量子干涉儀，將單分子體系中自旋磁矩信號轉為干涉儀的相位，從而實現高靈敏度的磁信號檢測。我們擬實現單分子探測的原理與方法的實驗驗證，並通過譜學分析對其進行成分結構和動力學的研究，以期攻克其中的部分關鍵問題，為未來單分子磁共振譜學技術的發展與大規模套用作先行性的探索與嘗試。
結題摘要
單分子成分和結構解析及動力學行為探測是生物、化學及材料等領域的關鍵問題和不懈追求的目標之一。分子中富含自旋或可以用自旋進行標定，因此自旋磁共振是達成此目標的途徑之一。面向數以億計的系綜樣品的傳統自旋磁共振技術能夠用來準確、快速和無破壞性地獲取物質的組成和結構上的信息，廣泛套用於生物和化學等領域。受限於傳統磁共振的探測方式，其難以實現單分子靈敏度的探測。為實現單分子探測的科學目標，本項目選取金剛石中氮-空位中心的固態電子自旋作為探針，原子尺度和室溫下長達毫秒的相干時間是此體系的兩大優勢。用量子操控將單電子自旋態製備成量子干涉儀，將單分子體系中自旋磁矩信號轉為干涉儀的相位，從而實現高靈敏度的磁信號檢測。 本項目一直緊扣單分子磁共振檢測的核心目標，按照研究計畫執行，圓滿完成項目即定任務，基於自主研製的譜儀和發展的量子精密測量技術，實現了單個生物分子磁共振譜學的突破性進展。具體而言：（1）技術成果，NV色心的製備與相干保護。NV色心作為單分子磁信號的量子感測器，其品質決定了探測的靈敏度，因此我們通過在超純金剛石基片上注入氮離子，再結合動力學解耦技術壓制噪聲對感測器量子相干性的影響，得到適合單分子探測的NV感測器。（2）科學成果，實現單個生物分子的磁共振譜學探測並發表相關的科學論文。發表SCI論文18篇，包括Science *1篇、Nature Methods *1篇、Nature Communications *4篇、Phys. Rev. Lett. *7篇等。包括單個蛋白質分子的磁共振譜學探測的突破性進展 [Fazhan Shi, et al., Science 347, 1135 (2015)]、水溶液環境中單個DNA分子的磁共振譜學[Fazhan Shi, et al., Nature Methods 15, 697 (2018)]、納米尺度零場順磁共振譜學新方法[Nature Communications 9, 1563 (2018)]等成果。 本項目是物理新技術向生物套用推進的前沿交叉領域，這一系列的工作基於量子精密測量原理，實現了單分子磁共振的突破，為在生理溶液環境甚至原位研究單生物分子結構和功能奠定基礎，相關成果獲得2015年度中國分析測試協會科學技術獎（CAIA獎）特等獎及2015年度中國科學十大進展等，本人獲得貝時璋青年生物物理學家獎等。
