中国科学技术大学苏州高等研究院MIRACLE研究中心“量子生物医学技术前沿实验室”在金刚石氮-空位色心量子精密测量技术的生物医学应用方面取得新进展，建立了数字化的生物分子相互作用磁学检测技术，实现了高灵敏的生物医学磁学检测，其具有数字化检测方式、单分子灵敏度、高信号稳定性、低背景、高特异性、可磁富集和磁纯化、样品需求量少等优点。相关研究成果于2023年3月27日以“Digital Magnetic Detection of Biomolecular Interactions with Single Nanoparticles”为题发表在《Nano Letters》上。
生物分子相互作用是构成所有生命体的基本要素之一，也是很多生物医学检测的生物学基础。目前用于检测生物分子相互作用的技术有很多，如生物化学检测、单分子荧光、表面等离子体激元共振等，但这些方法大都是基于光学信号的检测，容易受到光学背景、信号稳定性和光散射等的影响，在灵敏度和特异性方面存在不足。
图1 数字化的生物分子相互作用磁学检测技术。
在本工作中，研究团队利用近年发展起来的一种新兴量子磁传感器——金刚石中的氮-空位色心（NV色心，一种金刚石单晶中的原子缺陷）发展了单颗粒磁检测技术，思路类似于单分子荧光方法，用磁信号检测代替荧光检测的方式有效克服了上述不足。研究团队利用自主搭建的磁成像显微镜，结合单自旋量子精密测量、金刚石和磁颗粒表面生物功能化、免疫磁标记技术建立了数字化的生物分子相互作用磁学检测技术（图1），并演示了其在生物素-链霉亲和素相互作用、DNA相互作用、蛋白质相互作用以及病毒相关的抗体和核酸检测方面的有效性。具体而言，本研究基于单磁颗粒分辨的磁成像实现分子相互作用检测，磁纳米颗粒通过相互作用的生物分子对结合在金刚石表面，该结合过程通过单分子相互作用即可实现；然后，使用单颗粒磁成像对相互作用进行定性和定量分析。
总之，本研究开发了一种通用的数字化生物分子相互作用磁学检测方法，在从生命科学基础研究到临床医学的各个领域都展示出广阔的应用前景。
生物医学工程学院特任研究员陈三友、物理学院博士生孙梓庭、李万和、余佩为该论文的共同第一作者，杜江峰院士和石发展教授为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院、安徽省和中国科大的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c04961
（中国科学院微观磁共振重点实验室、物理学院、生物医学工程学院、中国科大苏州高等研究院、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院）
