想象一下，對(duì)你的膝蓋進(jìn)行核磁共振掃描。該掃描以大約一立方毫米的分辨率測(cè)量膝蓋中存在的水分子密度，這對(duì)于確定膝蓋中的半月板是否撕裂非常有用。但是，如果您需要研究10立方納米的單個(gè)分子的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，或者比當(dāng)前MRI掃描儀能夠產(chǎn)生的最佳分辨率小約<>萬(wàn)億倍，該怎么辦?

這是魏茨曼科學(xué)研究所化學(xué)和生物物理系的Amit Finkler博士的目標(biāo)。在最近的一項(xiàng)研究中，來(lái)自德國(guó)斯圖加特大學(xué)的Finkler博士生Dan Yudilevich及其合作者設(shè)法朝著這個(gè)方向邁出了一大步，展示了一種對(duì)單個(gè)電子進(jìn)行成像的新方法。該方法目前處于初始階段，有朝一日可能適用于各種分子的成像，這可能會(huì)徹底改變藥物的發(fā)展和量子材料的表征。

幾十年來(lái)，目前的磁共振成像(MRI)技術(shù)在診斷各種疾病方面發(fā)揮了重要作用，但是盡管該技術(shù)對(duì)無(wú)數(shù)人的生命具有開(kāi)創(chuàng)性，但仍有一些潛在的問(wèn)題有待解決。例如，MRI讀出效率非常低，需要數(shù)千億個(gè)水分子的樣本量(如果不是更多的話)才能發(fā)揮作用。這種低效率的副作用是輸出隨后被平均。對(duì)于大多數(shù)診斷程序，平均是最佳的，但是當(dāng)您平均這么多不同的組件時(shí)，會(huì)丟失一些細(xì)節(jié) - 可能隱藏在較小規(guī)模上發(fā)生的重要過(guò)程。

這是否是一個(gè)問(wèn)題取決于你問(wèn)的問(wèn)題：例如，有很多信息可以從擁擠的足球場(chǎng)的人群照片中檢測(cè)到，但如果我們想更多地了解坐在第十四排第三座的人臉頰上的痣，照片可能不是最好的工具。如果我們想收集更多關(guān)于鼴鼠的數(shù)據(jù)，那么靠近可能是要走的路。

芬克勒和他的合作者基本上是在建議一個(gè)分子特寫鏡頭。使用這種工具可以使研究人員能夠仔細(xì)檢查重要分子的結(jié)構(gòu)，并可能引領(lǐng)新的發(fā)現(xiàn)。此外，在某些情況下，一個(gè)小的“畫布”對(duì)工作本身至關(guān)重要 - 例如在藥物開(kāi)發(fā)的初步階段。

那么，如何才能實(shí)現(xiàn)更精確的MRI等效物，可以處理小樣本 - 直到單個(gè)分子?芬克勒、尤迪列維奇和斯圖加特的Rainer Stöhr博士和Andrej Denisenko博士開(kāi)發(fā)了一種可以精確定位電子位置的方法。它基于位于氮空位中心附近的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) - 一種特殊合成鉆石中的原子大小缺陷，用作量子傳感器。由于其原子尺寸，該傳感器對(duì)附近的變化特別敏感;由于其量子性質(zhì)，它可以區(qū)分單個(gè)電子是否存在還是多個(gè)電子，使其特別適合以令人難以置信的精度測(cè)量單個(gè)電子的位置。

“這種新方法，”芬克勒說(shuō)，“可以用來(lái)為現(xiàn)有方法提供補(bǔ)充觀點(diǎn)，以更好地理解結(jié)構(gòu)，功能和動(dòng)力學(xué)的神圣分子三位一體。

對(duì)于芬克勒和他的同行來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究是精確納米成像道路上的關(guān)鍵一步，他們?cè)O(shè)想了一個(gè)未來(lái)，我們將能夠使用這種技術(shù)對(duì)各種分子進(jìn)行成像，希望能夠?yàn)樗麄兊奶貙懽龊脺?zhǔn)備。