基于量子干涉仪的单分子探测方法的实验研究

Single molecule detection of subject composition, structure and dynamics is one of the most important goals in biology and chemistry. Many spins, such as protons or spin lables, are included in molecules. So spin magnetic resonance (MR) is one of capable ways of achieving the ultimate goal. The spin magnetic resonance technology is capable of obtaining information of subject composition and structure in an accurate, rapid and non-destructive way. Limited by the detection manner of traditional magnetic resoance spectrometers , it's almost impossible to detect single molecule under room termperature. To achieve the scientific goal of single molecule detetion, we choose single spins in solids based on NV defect center in diamond - (NV) as the sensitivity magnetic probe. The single NV spin can be easily visualized, polarized and detected with a confocal microscope. Atomic size and ultra-long spin coherence time for such qubits, even at room temperature, enables it is ultra-sensitivity to external magnetic moments of single molecule. Instead of traditional defection of ensemble sample, weak magnetic signals generated by the spins of single molecule is mapped to coherent state phase, so as to realize high sensitivity signal detection. We will design the proposals and start the proof of principle experiments on single molecule detection. By the spectroscopy, the composition, structure and dynamics of single molecule can be deduced. We will try to overcome part of essential technologies and push the magnetic resonance technology from billions of identical molecular to nano-scale even single molecule. The research maybe open a door for the development and applications of single molecular spectroscopy.

单分子成分和结构解析及动力学行为探测是生物、化学及材料等领域的关键问题和不懈追求的目标之一。分子中富含自旋或可以用自旋进行标定，因此自旋磁共振是达成此目标的途径之一。面向数以亿计的系综样品的传统自旋磁共振技术能够用来准确、快速和无破坏性地获取物质的组成和结构上的信息，广泛应用于生物和化学等领域。受限于传统磁共振的探测方式，其难以实现单分子灵敏度的探测。为实现单分子探测的科学目标，本项目选取金刚石中氮-空位中心的固态电子自旋作为探针，原子尺度和室温下长达毫秒的相干时间是此体系的两大优势。用量子操控将单电子自旋态制备成量子干涉仪，将单分子体系中自旋磁矩信号转为干涉仪的相位，从而实现高灵敏度的磁信号检测。我们拟实现单分子探测的原理与方法的实验验证，并通过谱学分析对其进行成分结构和动力学的研究，以期攻克其中的部分关键问题，为未来单分子磁共振谱学技术的发展与大规模应用作先行性的探索与尝试。

单分子成分和结构解析及动力学行为探测是生物、化学及材料等领域的关键问题和不懈追求的目标之一。分子中富含自旋或可以用自旋进行标定，因此自旋磁共振是达成此目标的途径之一。面向数以亿计的系综样品的传统自旋磁共振技术能够用来准确、快速和无破坏性地获取物质的组成和结构上的信息，广泛应用于生物和化学等领域。受限于传统磁共振的探测方式，其难以实现单分子灵敏度的探测。为实现单分子探测的科学目标，本项目选取金刚石中氮-空位中心的固态电子自旋作为探针，原子尺度和室温下长达毫秒的相干时间是此体系的两大优势。用量子操控将单电子自旋态制备成量子干涉仪，将单分子体系中自旋磁矩信号转为干涉仪的相位，从而实现高灵敏度的磁信号检测。.本项目一直紧扣单分子磁共振检测的核心目标，按照研究计划执行，圆满完成项目即定任务，基于自主研制的谱仪和发展的量子精密测量技术，实现了单个生物分子磁共振谱学的突破性进展。具体而言：（1）技术成果，NV色心的制备与相干保护。NV色心作为单分子磁信号的量子传感器，其品质决定了探测的灵敏度，因此我们通过在超纯金刚石基片上注入氮离子，再结合动力学解耦技术压制噪声对传感器量子相干性的影响，得到适合单分子探测的NV传感器。（2）科学成果，实现单个生物分子的磁共振谱学探测并发表相关的科学论文。发表SCI论文18篇，包括Science *1篇、Nature Methods *1篇、Nature Communications *4篇、Phys. Rev. Lett. *7篇等。包括单个蛋白质分子的磁共振谱学探测的突破性进展 [Fazhan Shi, et al., Science 347, 1135 (2015)]、水溶液环境中单个DNA分子的磁共振谱学[Fazhan Shi, et al., Nature Methods 15, 697 (2018)]、纳米尺度零场顺磁共振谱学新方法[Nature Communications 9, 1563 (2018)]等成果。.本项目是物理新技术向生物应用推进的前沿交叉领域，这一系列的工作基于量子精密测量原理，实现了单分子磁共振的突破，为在生理溶液环境甚至原位研究单生物分子结构和功能奠定基础，相关成果获得2015年度中国分析测试协会科学技术奖（CAIA奖）特等奖及2015年度中国科学十大进展等，本人获得贝时璋青年生物物理学家奖等。