Sensor Kuantum Molekul Tunggal Pecahkan Rekor Koherensi, Bisa 'Intip' Protein Tunggal

Tantangan Koherensi dan Solusinya

Spin molekuler, yaitu keadaan kuantum yang membawa informasi sensing, biasanya kehilangan koherensinya dalam waktu kurang dari ~10 mikrodetik — terlalu singkat untuk melakukan pengukuran yang berguna . Tim Waterloo memecahkan masalah ini dengan dua inovasi kunci:

Sekuens decoupling dipolar XYXY yang dimodifikasi. Sekuens kontrol baru ini menekan interaksi dipolar elektron-elektron pada rentang medan kontrol yang luas, memperpanjang waktu koherensi hingga ~400 mikrodetik — sekitar 60 kali lebih lama dari teknik spin-echo standar dalam sistem yang sama . "Salah satu tantangan utama adalah menjaga spin OX063 tetap koheren cukup lama agar berguna sebagai sensor," kata Sahand Tabatabaei, kandidat PhD di IQC dan penulis pertama makalah ini .

Pembacaan mekanis berbasis nanowire. Alih-alih menggunakan pembacaan optik seperti pada sensor NV-center berlian, platform SQUINT mendeteksi sinyal kuantum secara mekanis. Probe nanowire memiliki diameter 100 nm (sekitar ukuran virus) dan panjang 20 mikron (sekitar diameter rambut manusia) . Pendekatan deteksi mekanis ini benar-benar baru untuk sensing kuantum dan memungkinkan sensor ditempatkan lebih dekat ke molekul target daripada yang bisa dicapai sensor berbasis berlian .

Implikasi untuk Pencitraan Protein Tunggal dan Penemuan Obat

Kemampuan untuk menempatkan molekul sensor tepat di samping target — tanpa harus terkurung dalam kisi kristal seperti NV-center berlian — memberi trityl-OX063 keunggulan jarak yang fundamental . Para peneliti membayangkan beberapa aplikasi yang sangat kuat:

• Pemetaan struktur protein tunggal. Teknik pencitraan molekuler saat ini memerlukan sampel rata-rata yang besar dan tidak dapat mengungkap struktur unik dari satu protein. Teknik ini dapat mengukur lingkungan magnetik atom individu dalam satu protein, memungkinkan pemetaan struktural langsung di tingkat molekuler .
• Penemuan obat. Pencitraan presisi protein tunggal dapat mengungkap bagaimana penyakit berkembang di skala molekuler dan bagaimana kandidat obat berinteraksi dengan targetnya, berpotensi memungkinkan desain pengobatan yang lebih efektif .
• Keunggulan jarak. Karena molekul trityl-OX063 tidak terkunci dalam kisi kristal, mereka dapat ditempelkan secara kimia atau diposisikan dalam jarak beberapa nanometer dari molekul target, menawarkan kontrol tingkat molekuler atas penempatan sensor yang tidak bisa ditandingi platform yang ada .

Status Saat Ini dan Peta Jalan

Sensor SQUINT saat ini sudah bisa mendeteksi kondisi magnetik dari sekitar 10 spin nuklir . Dr. Raffi Budakian, yang memimpin riset ini, mengatakan timnya memiliki jalur yang jelas untuk mencapai sensitivitas spin tunggal — langkah kritis yang diperlukan untuk memetakan struktur molekul tunggal . Pekerjaan ini merupakan langkah praktis menuju penggunaan sensor kuantum untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan dalam biologi dan kedokteran yang selama ini tidak terjangkau dengan teknik klasik.