生物分子間的相互作用是生命活動的核心，其動態(tài)過程在單分子水平上往往展現(xiàn)出傳統(tǒng)“群體平均”實驗無法捕捉的復(fù)雜性與異質(zhì)性。然而，現(xiàn)有單分子技術(shù)如熒光成像受限于光漂白和背景干擾，納米孔技術(shù)則易受溶液環(huán)境擾動，亟需一種更穩(wěn)定、更靈敏的檢測手段。

 

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)石發(fā)展教授團隊與南開大學(xué)蘇循成教授團隊強強聯(lián)合，在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）發(fā)表重要成果，題為《Quantum relaxometry for detecting biomolecular interactions wIT(http://www.weberwork.com/sell/l_25/)h single NV centers》。研究團隊首次基于金剛石氮-空位（NV）色心的量子弛豫技術(shù)，實現(xiàn)了單分子水平的生物分子相互作用高靈敏檢測，為量子生物傳感邁向?qū)嶋H應(yīng)用邁出關(guān)鍵一步。

 

量子“顯微眼”：NV色心的潛力與挑戰(zhàn)

金剛石中的氮-空位（NV）色心是一種極具前景的量子傳感器，其電子(http://www.weberwork.com/sell/l_23/)自旋狀態(tài)對外部磁環(huán)境極為敏感，且具有生物相容性好、室溫工作、光穩(wěn)定性極高等優(yōu)勢，被譽為“固態(tài)原子尺度的磁力計”。近年來，它已在單個蛋白質(zhì)、核酸的檢測中嶄露頭角。

 

然而，要利用NV色心探測分子間相互作用，面臨兩大核心挑戰(zhàn)：

 

表面修飾難題：如何在惰性的金剛石表面高效、密集地固定生物分子，同時避免空間位阻影響其活性？

信號靈敏度瓶頸：如何從微弱的自旋噪聲中提取出分子結(jié)合的可靠信號？

突破一：納米凝膠界面，實現(xiàn)高密度低干擾修飾

針對表面修飾難題，研究團隊創(chuàng)新性地設(shè)計并構(gòu)建了聚乙烯亞胺納米凝膠界面。這一柔性界面不僅顯著提升了金剛石表面的生物相容性，還實現(xiàn)了高密度的生物分子固定——平均蛋白間距僅約10納米，接近單分子檢測的理想密度。更重要的是，該凝膠層有效降低了空間位阻，確保了固定化分子的天然構(gòu)象與生物活性，為后續(xù)精準檢測奠定了基礎(chǔ)。

 

突破二：加權(quán)弛豫分析，靈敏度提升4倍

在信號檢測方面，團隊摒棄了傳統(tǒng)的磁共振感應(yīng)模式，轉(zhuǎn)而采用量子弛豫測量技術(shù)。當溶液中帶有金屬自旋標記（如Gd³?或Mn²?）的目標分子與表面固定分子結(jié)合時，其自旋產(chǎn)生的磁噪聲會加速NV色心的量子弛豫過程（即T?弛豫）。

 

研究團隊提出了一種全新的“加權(quán)弛豫速率”分析方案，首次系統(tǒng)性地挖掘并利用了快速弛豫分量這一以往被忽視的信號。該方法將檢測靈敏度相比傳統(tǒng)分析提升了約4倍，為探測微弱的生物分子相互作用提供了一種普適且高效的分析工具(http://www.weberwork.com/sell/l_5/)。

 

實驗驗證：從微米到納米，實現(xiàn)高靈敏動態(tài)監(jiān)測

研究團隊以鏈霉親和素（固定于金剛石表面）與Mn²?標記的生物素-泛素蛋白復(fù)合物（溶液中游離）的結(jié)合為例，成功驗證了該技術(shù)的可行性。

 

實驗原理如圖所示：當Mn²?標記的蛋白B與表面蛋白A結(jié)合時，NV色心（距表面約10 nm）感應(yīng)到標記離子的磁噪聲，其量子弛豫曲線明顯加速。通過分析這一變化，即可實時、無損地監(jiān)測分子結(jié)合事件。

 

該技術(shù)展現(xiàn)出兩大顯著優(yōu)勢：

 

超高空間分辨率：單個NV色心可實現(xiàn)優(yōu)于10納米的探測尺度，具備單分子檢測能力；

超長觀測窗口：金屬自旋標記光穩(wěn)定性極佳，可連續(xù)觀測15小時以上無明顯衰減，徹底擺脫了熒光標記的“光漂白”困境，支持長時間動態(tài)過程監(jiān)測。

未來展望：邁向高通量與臨床應(yīng)用

該技術(shù)不僅為研究生物分子互作機制提供了全新工具，更具備廣闊的應(yīng)用前景。研究團隊指出，未來可將該技術(shù)與金剛石納米柱陣列、微流控芯片等平臺集成，發(fā)展成高通量、低樣品消耗的分析系統(tǒng)，在疾病標志物超靈敏檢測、藥物篩選、即時診斷（POCT）等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

 

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李敏博士后為論文第一作者，張琪研究員、南開大學(xué)蘇循成教授與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)石發(fā)展教授為共同通訊(http://www.weberwork.com/sell/l_25/)作者。研究得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院等項目資助。

 

這項成果標志著我國在量子生物傳感領(lǐng)域取得重要突破，將“量子之眼”真正聚焦于生命活動的最細微處，為解碼生命奧秘提供了前所未有的穩(wěn)定“鏡頭”。