德國與美國分別有研究團隊將磁共振造影(magnetic resonance imaging, MRI)技術縮小至奈米等級，能在室溫下偵測大小僅數立方奈米的分子樣品並加以成像。兩組團隊皆使用鑽石內的氮空位(nitrogen-vacancy, NV)缺陷作為探測微小樣品的磁場感應器。此研究可視為朝向完整3D分子級MRI及核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)邁出的第一步。
傳統MRI及NMR是相當實用的工具，因為它們能非侵入式地研究樣品甚至是生物體。然而，此技術的解析度無法探測小於數微米的樣本，原因是部分用來收集樣品磁訊號的裝置如天線或感應線圈無法縮小至微米尺寸。其他方法如磁共振力顯微鏡(magnetic resonance force microscopy, MRFM)雖能為極小物體造影，但卻必須在超低溫下才能操作。
氮空位缺陷發生在當鑽石中兩個相鄰碳原子被氮原子與空位所取代時，它能偵測樣品中來自質子自旋的微弱磁場振盪。德國斯圖加特(Stuttgart)大學的Tobias Staudacher和Friedemann Reinhard等人將單一氮空位缺陷嵌埋於鑽石表面下7 nm處，此氮空位有兩個自旋量子態，分別對應到明/暗螢光。當測得質子振盪時，自旋量子態便「棄明投暗」，這時可利用光電二極體或攝影機記錄。該團隊將數種液體和固體樣品置於鑽石表面，以上述方法測得其核磁共振譜。
然而，研究人員必須移動樣品才能建構3D影像，因此該團隊正在研發鑽石氮空位原子力顯微鏡探針，以期在室溫下立體掃描樣品。此外，他們也會打造能在低溫下使用的設備，因為蛋白質等許多樣品需要低溫環境以避免振動影響成像品質。此技術的可能應用還包含操控樣品中的極化，作法是先改變氮空位缺陷內的極化再進一步轉移至樣品。氮空位缺陷也能用來記錄個別自旋，提供量子電腦可行的儲存媒介。
另一方面，美國加州IBM的Dan Rugar與John Mamin等人同樣利用了鑽石氮空位缺陷，不同的是，他們的樣品(有機聚合物)需置於鑽石旁邊。此方法使用了氮空位缺陷的電子自旋回音及樣品的自旋，並藉由額外的射頻場來操縱氫原子的電子。他們認為此技術的靈敏度未來可望能解析單一質子。詳見Science | DOI: 10.1126/science.1231540 ＆ DOI:10.1126/science.1231675。
原始網站: http://nano.nchc.org.tw/
譯者:劉家銘(奈米科學網)
責任編輯:蔡雅芝