เซนเซอร์ควอนตัมระดับโมเลกุลเดี่ยว สร้างสถิติ Coherence ใหม่ เปิดทางถ่ายภาพโปรตีนแต่ละตัว

ความท้าทายเรื่อง Coherence และวิธีแก้ปัญหา

โดยทั่วไปแล้ว สปินของโมเลกุล (สถานะควอนตัมที่ทำหน้าที่เป็นพาหะข้อมูลการตรวจจับ) มักจะสูญเสีย coherence ภายในเวลาไม่ถึง ~10 ไมโครวินาที ซึ่งสั้นเกินไปสำหรับการวัดที่มีประโยชน์ ทีมวอเตอร์ลูแก้ปัญหานี้ด้วยนวัตกรรมสำคัญสองประการ:

ลำดับการดีคัปปลิงแบบ XYXY ที่ดัดแปลงมาใหม่: ลำดับควบคุมแบบใหม่นี้สามารถระงับปฏิสัมพันธ์ไดโพลาร์ระหว่างอิเล็กตรอน-อิเล็กตรอนในช่วงสนามควบคุมที่กว้าง ซึ่งช่วยยืดเวลา coherence เป็น ~400 ไมโครวินาที หรือนานกว่าเทคนิค spin echo มาตรฐานในระบบเดียวกันถึง ประมาณ 60 เท่า "ความท้าทายหลักประการหนึ่งคือการรักษา coherence ของสปิน OX063 ให้ยืนยาวพอที่จะทำให้พวกมันมีประโยชน์ในฐานะเซนเซอร์" Sahand Tabatabaei นักศึกษาปริญญาเอกแห่ง IQC และผู้เขียนหลักของรายงานกล่าว

การอ่านสัญญานเชิงกลผ่านนาโนไวร์: แทนที่จะใช้การอ่านสัญญานด้วยแสงเหมือนเซนเซอร์แบบ NV-center ในเพชร แพลตฟอร์ม SQUINT ตรวจจับสัญญานควอนตัมด้วยวิธีทางกล หัววัดนาโนไวร์มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 นาโนเมตร (ประมาณขนาดของไวรัส) และยาว 20 ไมครอน (ประมาณเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผมมนุษย์) การตรวจจับด้วยกลไกนี้เป็นสิ่งใหม่ทั้งหมดสำหรับการตรวจจับแบบควอนตัม และช่วยให้เซนเซอร์สามารถวางตำแหน่งเข้าใกล้โมเลกุลเป้าหมายได้มากกว่าเซนเซอร์แบบเพชร

ผลกระทบต่อการถ่ายภาพโปรตีนเดี่ยวและการค้นพบยา

ความสามารถในการวางโมเลกุลเซนเซอร์ให้อยู่ติดกับเป้าหมายโดยตรง โดยไม่จำเป็นต้องถูกยึดไว้ในโครงสร้างผลึกเหมือน NV-center ในเพชร ทำให้ trityl-OX063 มีข้อได้เปรียบด้านระยะใกล้อย่างมาก นักวิจัยมองเห็นการประยุกต์ใช้ที่มีประสิทธิภาพหลายประการ:

• การทำแผนที่โครงสร้างโปรตีนเดี่ยว: เทคนิคการถ่ายภาพโมเลกุลในปัจจุบันจำเป็นต้องใช้ตัวอย่างเฉลี่ยจากจำนวนมาก และไม่สามารถเปิดเผยโครงสร้างเฉพาะของโปรตีนเดี่ยวได้ เทคนิคนี้สามารถวัดสภาพแวดล้อมแม่เหล็กของอะตอมแต่ละตัวภายในโปรตีนเดี่ยว ทำให้สามารถทำแผนที่โครงสร้างโดยตรงในระดับโมเลกุล
• การค้นพบยา: การถ่ายภาพโปรตีนเดี่ยวอย่างแม่นยำสามารถเผยให้เห็นว่าโรคต่างๆ พัฒนาในระดับโมเลกุลได้อย่างไร และตัวยาที่มีศักยภาพมีปฏิสัมพันธ์กับเป้าหมายอย่างไร ซึ่งอาจนำไปสู่การออกแบบการรักษาที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
• ข้อได้เปรียบด้านระยะใกล้: เนื่องจากโมเลกุล trityl-OX063 ไม่ถูกยึดในโครงผลึก จึงสามารถยึดติดทางเคมีหรือวางตำแหน่งให้ห่างจากโมเลกุลเป้าหมายเพียงไม่กี่นาโนเมตร ซึ่งให้การควบคุมระดับโมเลกุลเหนือการวางตำแหน่งเซนเซอร์ที่แพลตฟอร์มอื่นไม่สามารถเทียบได้

สถานะปัจจุบันและแผนงานในอนาคต

เซนเซอร์ SQUINT ในปัจจุบันสามารถตรวจจับสถานะแม่เหล็กของนิวเคลียสสปินได้ประมาณ 10 ตัว ดร. Raffi Budakian หัวหน้าโครงการวิจัยกล่าวว่าทีมงานมีเส้นทางที่ชัดเจนในการไปถึงความไวระดับ single-spin ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญที่จำเป็นสำหรับการทำแผนที่โครงสร้างของโมเลกุลเดี่ยว งานนี้ถือเป็นก้าวที่ใช้งานได้จริงในการใช้เซนเซอร์ควอนตัมเพื่อตอบคำถามในชีววิทยาและการแพทย์ที่เกินขีดความสามารถของเทคนิคดั้งเดิม