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澳洲、德國及日本的研究人員首度利用奈米鑽石量子探針，成功偵測到人造細胞膜上的單一原子。此技術仰賴奈米鑽石內所謂的氮空位(nitrogen-vacancy, NV)缺陷作為磁場感應器，可望用來對許多生物現象進行造影，譬如直接拍攝自由基，甚至可拍攝神經元功能。
當鑽石內兩相鄰的碳原子分別被一個氮原子及空缺取代時，便形成氮空位缺陷。具氮空位缺陷的奈米鑽石因為無毒且具光穩定性(photostable)，因此可作為理想的生物探針。更重要的是，氮空位缺陷能用來偵測來自樣本電子或核子自旋的極微弱磁場訊號。相較於傳統磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)技術需要數百萬的自旋方能產生可偵測的信號，氮空位缺陷能感應到單一自旋的存在。
此研究團隊由墨爾本(Melbourne)大學的Lloyd Hollenberg所領軍，成員包含日本國際原子能機構(Atomic Energy Agency)以及德國斯圖加特(Stuttgart)大學的科學家。他們把做為「自旋標籤」(spin label)的釓(gadolinium, Gd)附著於人造細胞膜的脂質雙層內。釓元素是常見的磁共振造影對比劑，其電子總自旋量為7/2，可作為一振盪磁場來源，而奈米鑽石中的氮空位缺陷則可為單一量子自旋，對於這些磁場的變動極為敏感。
Hollenberg表示，他們利用雷射來控制氮空位缺陷探針的量子態，稍後再藉由偵測氮空位缺陷所發出的光子讀取量子態。此技術使用氮空位中心的量子特性來探測奈米尺度下的磁場，這對許多生物現象具有相當重要的應用價值，譬如用來直接觀測自由基或是離子通道(ion channel)，以及對神經元功能的即時高解析成像。
該研究團隊目前正研究使用更小的奈米鑽石，以求更進一步提升對磁場變動的靈敏度，並且試圖利用此方法偵測其他不同生物系統內的基本自旋量。詳見PNAS｜doi: 10.1073/pnas.1300640110。 |