Квантовый датчик из одной молекулы: рекорд когерентности и путь к визуализации отдельных белков

Проблема когерентности и её решение

Молекулярные спины — квантовые состояния, которые несут сенсорную информацию — обычно теряют когерентность менее чем за ~10 микросекунд. Это слишком мало для проведения полезных измерений . Команда из Ватерлоо решила эту проблему с помощью двух ключевых инноваций:

Модифицированная последовательность дипольной развязки XYXY. Эта новая управляющая последовательность подавляет электрон-электронные дипольные взаимодействия в широком диапазоне управляющих полей, продлевая время когерентности до ~400 микросекунд — примерно в 60 раз дольше, чем при использовании стандартных методов спинового эха в той же системе . «Одной из ключевых задач было сохранение когерентности спинов OX063 достаточно долго, чтобы их можно было использовать в качестве сенсоров», — объясняет Сананд Табатабаи, аспирант IQC и первый автор статьи .

Механическое считывание с помощью нанопроволоки. Вместо оптического считывания, которое используется в сенсорах на основе NV-центров в алмазе, платформа SQUINT детектирует квантовые сигналы механически. Зонды из нанопроволоки имеют диаметр 100 нм (примерно размер вируса) и длину 20 микрон (примерно диаметр человеческого волоса) . Этот механический метод детекции совершенно новый для квантового зондирования и позволяет размещать сенсор гораздо ближе к целевым молекулам, чем это возможно с помощью алмазных сенсоров .

Перспективы для визуализации отдельных белков и разработки лекарств

Способность располагать молекулу-сенсор непосредственно рядом с мишенью, не будучи запертой в кристаллическую решётку (как NV-центры в алмазе), даёт тритил-OX063 фундаментальное преимущество в близости к изучаемому объекту . Исследователи видят несколько мощных применений:

• Картографирование структуры одного белка. Современные методы молекулярной визуализации требуют больших усреднённых образцов и не могут показать уникальную структуру одного белка. Новая техника может измерять магнитное окружение отдельных атомов внутри единичного белка, обеспечивая прямое картирование структуры на молекулярном уровне .
• Разработка лекарств. Точная визуализация одиночных белков может раскрыть, как развиваются заболевания на молекулярном уровне и как кандидатные лекарства взаимодействуют со своими мишенями, что потенциально позволит создавать более эффективные методы лечения .
• Преимущество близости. Поскольку молекулы тритил-OX063 не зафиксированы в кристаллической решётке, их можно химически прикрепить или расположить в пределах нескольких нанометров от молекулы-мишени, обеспечивая контроль над размещением сенсора на молекулярном уровне, что недоступно существующим платформам .

Текущий статус и дорожная карта

Сенсор SQUINT уже может детектировать магнитное состояние примерно 10 ядерных спинов . Доктор Раффи Будакян, руководитель исследования, заявил, что у команды есть чёткий путь к достижению чувствительности на уровне единичного спина — критически важного шага, необходимого для картирования структуры отдельных молекул . Эта работа представляет собой практический шаг к использованию квантовых сенсоров для ответа на вопросы в биологии и медицине, которые оставались за пределами досягаемости классических методов.