“這種鉆石示蹤劑可以同時通過磁共振成像（MRI）和熒光信號提供信息，獲取高分辨率的高質(zhì)量圖像，同時觀測深度也能達(dá)到光學(xué)顯微鏡的 10 倍以上?！?談及量子精密測量的最新成果，來自加州大學(xué)伯克利的博士呂旭東向 DeepTech 介紹道。

圖 | 呂旭東（來源：受訪者）

當(dāng)前，信息技術(shù)正逐漸向量子信息技術(shù)跨越，新一輪技術(shù)革命即將到來。在這種趨勢下，全球很多科研工作者都在探索不同量子技術(shù)平臺。

在超導(dǎo)量子比特、離子阱、固體量子比特、里德堡原子等一眾實(shí)驗(yàn)體系里，鉆石氮 - 空位（Nitrogen-Vacancy, NV）色心平臺在室溫環(huán)境中存在一定干擾情況下，仍能保持較好特性的一個平臺，呂旭東發(fā)現(xiàn)的這種鉆石示蹤劑便是 NV 色心的最新研究成果。

5 月 25 日，這項新發(fā)現(xiàn)以論文形式發(fā)表在《美國科學(xué)院院報》（PNAS）期刊上，論文以 “金剛石顆粒中的無背景雙模光學(xué)和 ¹³ C  磁共振成像（Background-free dual-mode optical and ¹³C magnetic resonance imaging in diamond particles）” 為題，呂旭東擔(dān)任第一作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：PNAS）

該研究首次通過鉆石實(shí)現(xiàn)自旋超極化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)磁共振和光學(xué)成像的結(jié)合，解決了目前兩種成像手段各自存在的缺陷問題，有望在生物技術(shù)和醫(yī)療行業(yè)實(shí)現(xiàn)提速。

“鉆石 NV 色心是目前量子信息領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向。由于 NV 的熒光非常穩(wěn)定，是一種良好的單光子源，因此常被用于量子密鑰分配、生物熒光標(biāo)記等。另外鉆石 NV 色心中的電子自旋常常被作為量子比特或納米探針。” 呂旭東說。

圖 | 鉆石（來源：Pixabay）

他向 DeepTech 介紹，NV 色心指的是鉆石里的一種特殊發(fā)光點(diǎn)缺陷，由一個替代的氮原子與一個碳原子空位組成，是眾多順磁性雜質(zhì)中的一種。這個空位吸引了一個電子，加上氮原子的一個未成鍵電子，組成了一個軌道基態(tài)自旋為 1 的體系。

據(jù)悉，NV 色心的電子基態(tài)為自旋三重態(tài)，室溫下相干時間可達(dá)毫秒量級，可以被定位到小于 10nm 的精度，電子自旋對外界磁場非常靈敏，NV 色心與其他待測樣品之間距離可以小于 5nm。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，NV 色心一般可作為一種非常強(qiáng)大的量子傳感器，不僅性能穩(wěn)定，并且可在樣品表面進(jìn)行納米級精度掃描成像時保持實(shí)驗(yàn)環(huán)境的高度穩(wěn)定。

NV 的量子特性，讓激光能用極高的效率把它極化到特定的自旋狀態(tài)。研究中，呂旭東通過一種業(yè)內(nèi)稱之為朗道 - 基納（Landau-Zener）的量子轉(zhuǎn)移過程將電子自旋的極化轉(zhuǎn)移到 ¹³ C 原子的自旋上，使得原來極化很低的 ¹³ C 原子極化變高。

這個過程便是鉆石中碳原子超極化的過程，是磁共振成像中的關(guān)鍵所在。經(jīng)過超極化后，碳原子的磁共振信號可提高幾百到幾千倍，從而更容易被觀測到。

圖 | 超極化的鉆石為核磁共振產(chǎn)生更強(qiáng)的信號（來源：受訪者）

傳統(tǒng)磁共振的極化方式一般是使用強(qiáng)磁場，以反復(fù)測量微弱信號的方式獲得可靠信息，每次極化都需要較長的弛豫時間?！翱紤]到多次測量的時間和弛豫時間，我們的超極化中 1 分鐘取得的信號，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中可能需要幾年的時間?！?呂旭東表示。

在精密測量過程中，NV 色心主要作出了兩個貢獻(xiàn)，那便是提升被測信號本身的強(qiáng)度以及提升測量的敏感度和精度。正是通過以上方法以及 NV 的突出表現(xiàn)，呂旭東最終實(shí)現(xiàn)了鉆石碳 13 的超極化磁共振成像，這在量子測量研究中尚屬第一次。

據(jù)了解，NV 色心的熒光是一種非常穩(wěn)定的光子源，經(jīng)常被用于量子密鑰分配、生物熒光標(biāo)記等。他表示：“我們在研究中，同時利用了 NV 的這個光學(xué)特性和超極化的特點(diǎn)，首次實(shí)現(xiàn)了基于金剛石的雙模態(tài)成像。”

目前，生化研究有一個無法忽視的難題，即以當(dāng)前的技術(shù)手段對生物組織進(jìn)行觀測，往往需要在探查深度與獲得圖像的清晰度之間進(jìn)行權(quán)衡。

使用光學(xué)顯微鏡觀察細(xì)胞或組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，分辨率可以達(dá)到亞微米級，但確保光線能穿透而不散射的檢測深度卻只有毫米級別；雖然磁共振成像的射頻可到達(dá)人體任何部位，不過該技術(shù)在分辨率上的缺點(diǎn)也非常明顯 —— 比光學(xué)成像差幾個數(shù)量級。

圖 | 鉆石顆粒通過光學(xué)和 MRI 進(jìn)行成像（來源：受訪者）

結(jié)合兩種成像方式，既克服了每種成像的缺點(diǎn)，又保留了各自的優(yōu)點(diǎn)。雙模態(tài)成像還有一個有趣之處就是兩個模態(tài)分別在兩個傅立葉共軛的空間中進(jìn)行采樣，研究中提出的共軛空間采用方法可以大大提高成像時的采樣速度和采樣精度。

此前，也有學(xué)者嘗試過磁共振的高質(zhì)量成像，但是沒有成功，而鉆石示蹤劑的出現(xiàn)在分辨率和觀測深度上取得了較好的平衡。

借助這種示蹤劑，研究人員可同時通過 MRI 和熒光信號提供信息，從而獲取組織表面以下 1 厘米處的高質(zhì)量圖像，其深度也可達(dá)到光學(xué)觀測的 10 倍。

通過使用雙觀測模式，科研人員不僅可以獲得大量組合信息，而且在成像速度上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單一的光學(xué)成像或者磁共振成像，這為相關(guān)研究提供了一個全新的角度和方式。

據(jù)呂旭東介紹，他先在北京大學(xué)獲得物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，后在加州大學(xué)伯克利分校獲得博士學(xué)位。小時候，他就在物理方面表現(xiàn)出極高的天賦，中學(xué)時參加物理競賽并因此成功保送至北京大學(xué)物理學(xué)院，期間又對量子科學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。

博士期間，他師從磁共振領(lǐng)域先驅(qū)、沃爾夫獎得主、美國兩院院士亞歷山大?派因斯（Alexander Pines）。派因斯是伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的高級科學(xué)家，同時也是加州大學(xué)伯克利分校的 Glenn Seaborg 化學(xué)教授，更是全球 MRI 技術(shù)的權(quán)威之一。在過去二十年里，派因斯一直在使用量子調(diào)控技術(shù)和磁共振技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的科學(xué)研究。

圖 | 亞歷山大?派因斯（Alexander Pines）（來源：伯克利化學(xué)學(xué)院）

同時呂旭東還受到他的第二導(dǎo)師杰夫?里莫（Jeffrey Reimer）的指導(dǎo)，里莫是伯克利化學(xué)和生物分子工程學(xué)院的院長，也是將科學(xué)研究應(yīng)用到實(shí)際生活中的先驅(qū)。得益于兩位導(dǎo)師的教誨，呂旭東在量子學(xué)領(lǐng)域取得了長足進(jìn)展。目前呂旭東是加州大學(xué)伯克利分校和加州理工大學(xué)的聯(lián)合博士后研究員，正負(fù)責(zé)主導(dǎo)一個新的冷原子量子平臺的搭建。

此前，有不少人嘗試過這項研究，但是并不成功。如何實(shí)現(xiàn)在微金剛石中的超極化，是領(lǐng)域中的一個很大挑戰(zhàn)。呂旭東和團(tuán)隊首次搭建了一套兼容高低場的設(shè)備（Ajoy, A., Lv, X., et al. Wide dynamic range magnetic field cycler: Harnessing quantum control at low and high fields, Review of Scientific Instruments），經(jīng)過長時間的不同路徑探索，在一次偶然機(jī)會中，發(fā)現(xiàn)了這種超極化的方法。經(jīng)過不斷優(yōu)化，這種超極化方法最終成型。

隨后呂旭東和團(tuán)隊做了大量工作，包括研究自旋極化過程中的理論、進(jìn)而優(yōu)化超極化的標(biāo)準(zhǔn)流程，然后把整套設(shè)備的電子元件等小型化，接著研究材料對于超極化的影響，并對材料進(jìn)行改進(jìn)，這才獲得了成熟技術(shù)。

在這項研究中，呂旭東使用的自制超極化器裝置，工程師是來自加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家伊曼紐爾?杜加（Emanuel Druga）。傳統(tǒng)強(qiáng)磁場磁共振譜儀的成本一般在幾十萬到幾百萬美元之間，但是利用超極化后，成本可以降到幾千美元。而且鉆石示蹤劑也很便宜，易用性也更高。

將鉆石微粒作為成像的標(biāo)記物，然后研究生物樣品或者醫(yī)學(xué)中特定位置的組織及細(xì)胞，會比傳統(tǒng)磁共振成像的效率更高。

在一般的磁共振成像中，信號可能比較弱，這會給診斷早期病情帶來影響。但如果利用量子化的手段，把鉆石微粒進(jìn)行表面修飾，特定地連接到癌細(xì)胞上，就可以輕易實(shí)現(xiàn)早期癌細(xì)胞的高清晰度圖像檢測。

未來，呂旭東的新技術(shù)將主要應(yīng)用于細(xì)胞和組織的體外研究，探查血液或其他液體中疾病的化學(xué)標(biāo)記物，或用于動物的生理學(xué)研究。

將超極化應(yīng)用在化學(xué)分析上，可以大大提高信噪比以及降低測量時間，使得原來需要強(qiáng)磁場才能完成的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在可以在一個便攜式儀器中完成。

另外，如此之強(qiáng)的信號，可讓科研工作者探索以前不能測量的信號，從而研究新的化學(xué)、生物材料的現(xiàn)象和機(jī)理，也可為癌癥早期檢測等帶來新可能。

圖 | 醫(yī)療檢測工具（來源：Pixabay）

呂旭東認(rèn)為：“更準(zhǔn)確來說，這項新發(fā)現(xiàn)其實(shí)是一個有著非常高準(zhǔn)確度、非常高信號強(qiáng)度的工具。未來最有影響力的應(yīng)用方向可能在于研發(fā)出一臺協(xié)助治療癌癥的檢測產(chǎn)品?！?他堅定認(rèn)為：“量子技術(shù)必然會帶來新一代的技術(shù)革新，甚至?xí)嵏埠芏喱F(xiàn)有的技術(shù)?！?/span>

目前，一些科研團(tuán)隊正在推進(jìn)該技術(shù)在臨床上的應(yīng)用，但要想真正大規(guī)模應(yīng)用于人體，還需要美國食品藥品管理局的（FDA）的認(rèn)證。其中，金剛石示蹤劑目前已經(jīng)在 FDA 審核中。

考慮到新技術(shù)的諸多優(yōu)勢，無論是低成本、便捷性還是高質(zhì)量的成像，都將促使科研人員選擇更有益的方式?？梢源_定的是，該研究在量子精準(zhǔn)測量領(lǐng)域必將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，并為未來科學(xué)的發(fā)展帶來更多的可能。