【摘要】 核磁共振通常用于临床试验，通过转换核波谱在磁共振成像(MRI)和提供3D，无创的生物成像。

核磁共振波谱是原子核在磁场中带电和放电电磁辐射的物理奇迹。在传统的核磁共振中，特定的核共振频率取决于磁场的强度和原子的同位素的磁性。核磁共振通常用于临床试验，通过转换核波谱在磁共振成像(MRI)和提供3D，无创的生物成像。虽然这项技术已经彻底改变了生物医学科学，但由于MRI分辨率限制在几十微米，测量单个生物分子的磁共振谱仍然是一个无形的愿望。然而，核磁共振和核磁共振近年来取得了很大的进步，纳米核磁共振和纳米核磁共振的许多突破都是由基于金刚石原子杂质的自旋传感器推动的。这些技术依赖于磁偶极子-偶极子相互作用，而不是电感探测。Alberto[1]等人重点介绍了基于金刚石中氮空位中心的新型纳米MRI方法，该方法为在体内和环境条件下对单个生物分子进行纳米级分辨率成像提供了解决方案。

 

长期以来，核磁共振(NMR)对自旋极化的研究一直是医学、材料科学、半导体电子学等科学领域不可或缺的一部分。随后，它被应用于现在传统的核磁共振中感应磁场，有机会利用基于高磁场梯度的磁共振成像感应检测技术获得三维核自旋图像。这些临床方法依赖于大量的高磁场超导磁体，用来建立一些10-15量级的核自旋的极化。这允许在大探测体积中减少自然消相自旋产生的噪声。这种感应检测的灵敏度取决于磁通的第一次导数，与检测频率成比例，随外加磁场强度的增加而增加。这导致了大量高成本的磁铁，核磁共振/核磁共振仪器的可移植性有限，以及目前使用磁共振显微镜研究的分辨率最多为几十微米。这种分辨率不足以在分子尺度上成像。

 

图1 基于两个PMMA样品中包含的1H NMR信号的二维图像，使用两个不同的NV中心进行探测。z高度与核磁共振信号s(x,y)成正比。[1]

 

生物医学应用中成像和传感的一个关键工程挑战是跟踪从微米到纳米的不同尺度上发生的过程。了解分子水平上的过程对评估生物功能很重要，需要具有纳米灵敏度的MRI。通过使用纳米核磁共振成像技术，可以对单个生物分子(如蛋白质或DNA)的结构和电子构型进行彻底的修饰。纳米核磁共振成像的另一个应用是分子工程动力学成像。为了远离高磁场，需要超极化技术和/或更灵敏的检测方法。基于光学探针作为原子大小的自旋传感器的新方法可以在纳米尺度上发挥作用，可以为磁共振显微镜在分子水平上提供革命性的范例。

 

原子大小的光学自旋探测器背后的想法是几十年前由卡斯勒提出的。它包括使用与顺磁原子基态的光学发射相对应的能级跃迁。在特定自旋能级上的探测原子被激发，然后被光场极化。光学自旋检测方法是随着光学检测磁共振(ODMR)的发现而建立的，由于能够精确检测由电子或核自旋的小集合引起的局部小磁场而具有吸引力。这些方法依赖于自旋回波的跟踪和电子的自由进动，这些电子来自最初的磷光分子，在零磁场中以更高能量的三重态被光学激发。在特定的微波场序列(如Hanh-Echo)作用下，通过观察其磷光强度的调制来确定其典型的自旋衰减类型。一旦这些系统受到其他自旋的影响，它们的消相时间就会发生变化。这样就可以量化小磁场的存在或核自旋的浓度，原则上具有很高的分辨率。

 

图2 利用放置在距金刚石100纳米处的扫描磁尖和单个NV传感器来探测金刚石表面的暗自旋。 [1]

 

基于光学共聚焦和宽视场显微镜技术，通过增加更复杂的微波脉冲序列来缩小NV电子自旋相干时间变化的频率敏感性，展示了对聚合物样品中少量原子核自旋成像和检测核磁共振波谱的不同技术。目前，几种不同的方法已经证明了一个快速发展的领域，并在完全建立一种综合技术方面取得了相关进展，以响应对可以提供二维或三维成像的分子显微镜的追求。

 

[1] Boretti, A., Rosa, L. and Castelletto, S. (2015), Towards Single Biomolecule Imaging via Optical Nanoscale Magnetic Resonance Imaging. Small, 11: 4229-4236.

 

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