एकल अणु क्वांटम सेंसर ने कोहरेंस रिकॉर्ड तोड़ा, सिंगल-प्रोटीन इमेजिंग संभव

यह सफलता आणविक क्वांटम सेंसर की एक बुनियादी सीमा को पार करती है: उनकी क्वांटम अवस्थाएं बहुत जल्दी क्षय हो जाती हैं। 400 माइक्रोसेकंड तक कोहरेंस बढ़ाकर और एक नई नैनोवायर-आधारित रीडआउट का उपयोग करके, टीम ने एकल प्रोटीन को परमाणु दर परमाणु इमेज करने का रास्ता खोल दिया—ऐसी क्षमता जो दवा खोज और संरचनात्मक जीवविज्ञान को बदल सकती है ।

कोहरेंस की चुनौती और समाधान

आणविक स्पिन, जो सेंसिंग जानकारी रखने वाली क्वांटम अवस्थाएं हैं, आमतौर पर 10 माइक्रोसेकंड से भी कम समय में कोहरेंस खो देते हैं—यह उपयोगी माप के लिए बहुत कम समय है । वॉटरलू टीम ने दो प्रमुख नवाचारों से इस समस्या का समाधान किया:

एक संशोधित XYXY डाइपोलर डीकपलिंग सीक्वेंस। यह नया नियंत्रण सीक्वेंस इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन डाइपोलर इंटरैक्शन को नियंत्रण क्षेत्रों की एक विस्तृत श्रृंखला में दबा देता है, जिससे कोहरेंस टाइम ~400 माइक्रोसेकंड तक बढ़ जाता है—उसी प्रणाली की मानक स्पिन-इको तकनीकों से लगभग 60 गुना अधिक । "एक बड़ी चुनौती OX063 स्पिन को इतनी देर तक कोहरेंट रखना था कि वे सेंसर के रूप में उपयोगी हो सकें," सहंद तबाताबाई, IQC में पीएचडी उम्मीदवार और पेपर के पहले लेखक ने कहा ।

नैनोवायर-आधारित मैकेनिकल रीडआउट। डायमंड एनवी-सेंटर सेंसर में उपयोग की जाने वाली ऑप्टिकल रीडआउट के बजाय, SQUINT प्लेटफॉर्म क्वांटम सिग्नल का पता मैकेनिकल तरीके से लगाता है। नैनोवायर प्रोब 100 नैनोमीटर व्यास (एक वायरस के आकार के बराबर) और 20 माइक्रोन लंबे (मानव बाल के व्यास के बराबर) होते हैं । यह मैकेनिकल डिटेक्शन दृष्टिकोण क्वांटम सेंसिंग के लिए पूरी तरह नया है और सेंसर को डायमंड-आधारित सेंसर की तुलना में लक्ष्य अणुओं के बहुत करीब रखने की अनुमति देता है ।

एकल-प्रोटीन इमेजिंग और दवा खोज के लिए निहितार्थ

एक सेंसर अणु को सीधे लक्ष्य के बगल में रखने की क्षमता—डायमंड एनवी केंद्रों की तरह क्रिस्टल जाली में बंद हुए बिना—trityl-OX063 को एक बुनियादी निकटता लाभ देती है । शोधकर्ता कई शक्तिशाली अनुप्रयोगों की कल्पना करते हैं:

• एकल-प्रोटीन संरचना मैपिंग। वर्तमान आणविक इमेजिंग तकनीकों को बड़े, औसत नमूनों की आवश्यकता होती है और वे एकल प्रोटीन की अनूठी संरचना को प्रकट नहीं कर सकतीं। यह तकनीक एकल प्रोटीन के भीतर व्यक्तिगत परमाणुओं के चुंबकीय वातावरण को माप सकती है, जिससे आणविक स्तर पर प्रत्यक्ष संरचनात्मक मैपिंग संभव होगी ।
• दवा खोज। एकल प्रोटीन की सटीक इमेजिंग से पता चल सकता है कि रोग आणविक स्तर पर कैसे विकसित होते हैं और दवा उम्मीदवार अपने लक्ष्यों के साथ कैसे संपर्क करते हैं, जिससे अधिक प्रभावी उपचारों का डिज़ाइन संभव हो सकता है ।
• निकटता लाभ। चूंकि trityl-OX063 अणु क्रिस्टल जाली में बंद नहीं होते, उन्हें लक्ष्य अणु से कुछ नैनोमीटर के भीतर रासायनिक रूप से जोड़ा या स्थित किया जा सकता है, जो सेंसर प्लेसमेंट पर आणविक-स्तरीय नियंत्रण प्रदान करता है जो मौजूदा प्लेटफॉर्म नहीं कर सकते ।

वर्तमान स्थिति और आगे की राह

SQUINT सेंसर पहले से ही लगभग 10 न्यूक्लियर स्पिन की चुंबकीय स्थिति का पता लगा सकता है । डॉ. रफ्फी बुडाकियन, जिन्होंने शोध का नेतृत्व किया, ने कहा कि टीम के पास एकल-स्पिन संवेदनशीलता तक पहुंचने का स्पष्ट मार्ग है—एकल अणुओं की संरचना को मैप करने के लिए आवश्यक महत्वपूर्ण कदम । यह कार्य जीवविज्ञान और चिकित्सा में उन सवालों के जवाब देने के लिए क्वांटम सेंसर का उपयोग करने की दिशा में एक व्यावहारिक कदम है, जो शास्त्रीय तकनीकों से पहुंच से बाहर थे।