Thách thức về sự kết hợp (Coherence) và giải pháp

Các spin phân tử – trạng thái lượng tử mang thông tin cảm biến – thường mất sự kết hợp trong vòng dưới ~10 micro giây, quá ngắn để thực hiện các phép đo hữu ích . Nhóm nghiên cứu Waterloo đã giải quyết vấn đề này bằng hai cải tiến quan trọng:

Chuỗi giải mã lưỡng cực XYXY cải tiến. Chuỗi điều khiển mới này triệt tiêu các tương tác lưỡng cực electron–electron trên một dải rộng các trường điều khiển, kéo dài thời gian kết hợp lên tới ~400 micro giây – gấp khoảng 60 lần so với kỹ thuật spin-echo tiêu chuẩn trong cùng một hệ thống . "Một thách thức then chốt là giữ cho các spin OX063 kết hợp đủ lâu để chúng trở nên hữu ích như những cảm biến," Sahand Tabatabaei, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại IQC và là tác giả chính của bài báo, cho biết .

Đầu dò cơ học dạng dây nano (nanowire). Thay vì sử dụng phương pháp đọc tín hiệu quang học (optical readout) như trong các cảm biến trung tâm NV kim cương, nền tảng SQUINT phát hiện tín hiệu lượng tử một cách cơ học. Các đầu dò dây nano có đường kính 100 nm (kích thước tương đương một virus) và dài 20 micron (bằng đường kính một sợi tóc người) . Cách tiếp cận phát hiện cơ học này hoàn toàn mới đối với cảm biến lượng tử và cho phép đặt cảm biến gần hơn nhiều so với các phân tử mục tiêu so với các cảm biến dựa trên kim cương .

Ý nghĩa đối với việc chụp ảnh protein đơn lẻ và khám phá thuốc

Khả năng đặt một phân tử cảm biến ngay cạnh mục tiêu – mà không bị khóa trong một mạng tinh thể như các trung tâm NV trong kim cương – mang lại cho trityl-OX063 một lợi thế cơ bản về khoảng cách tiếp cận . Các nhà nghiên cứu hình dung ra một số ứng dụng mạnh mẽ:

• Lập bản đồ cấu trúc protein đơn lẻ. Các kỹ thuật chụp ảnh phân tử hiện tại yêu cầu các mẫu lớn, được lấy trung bình và không thể tiết lộ cấu trúc độc nhất của một protein đơn lẻ. Kỹ thuật này có thể đo môi trường từ của từng nguyên tử riêng lẻ bên trong một protein, cho phép lập bản đồ cấu trúc trực tiếp ở cấp độ phân tử .
• Khám phá thuốc. Việc chụp ảnh chính xác các protein đơn lẻ có thể tiết lộ cách bệnh tật phát triển ở cấp độ phân tử và cách các ứng cử viên thuốc tương tác với mục tiêu của chúng, từ đó giúp thiết kế các phương pháp điều trị hiệu quả hơn .
• Lợi thế về khoảng cách gần. Vì các phân tử trityl-OX063 không bị khóa trong mạng tinh thể, chúng có thể được gắn hóa học hoặc đặt trong vòng vài nanomet của phân tử mục tiêu, mang lại khả năng kiểm soát vị trí cảm biến ở cấp độ phân tử mà các nền tảng hiện có không thể sánh được .

Hiện trạng và lộ trình phát triển

Cảm biến SQUINT hiện đã có thể phát hiện trạng thái từ của khoảng 10 spin hạt nhân . Tiến sĩ Raffi Budakian, người dẫn dắt nghiên cứu, cho biết nhóm có một lộ trình rõ ràng để đạt được độ nhạy ở mức một spin – bước quan trọng cần thiết để lập bản đồ cấu trúc của các phân tử đơn lẻ . Công trình này đại diện cho một bước tiến thực tế hướng tới việc sử dụng các cảm biến lượng tử để trả lời những câu hỏi trong sinh học và y học mà trước đây vẫn nằm ngoài tầm với của các kỹ thuật cổ điển.

Thách thức về sự kết hợp (Coherence) và giải pháp

Các spin phân tử – trạng thái lượng tử mang thông tin cảm biến – thường mất sự kết hợp trong vòng dưới ~10 micro giây, quá ngắn để thực hiện các phép đo hữu ích . Nhóm nghiên cứu Waterloo đã giải quyết vấn đề này bằng hai cải tiến quan trọng:

Chuỗi giải mã lưỡng cực XYXY cải tiến. Chuỗi điều khiển mới này triệt tiêu các tương tác lưỡng cực electron–electron trên một dải rộng các trường điều khiển, kéo dài thời gian kết hợp lên tới ~400 micro giây – gấp khoảng 60 lần so với kỹ thuật spin-echo tiêu chuẩn trong cùng một hệ thống . "Một thách thức then chốt là giữ cho các spin OX063 kết hợp đủ lâu để chúng trở nên hữu ích như những cảm biến," Sahand Tabatabaei, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại IQC và là tác giả chính của bài báo, cho biết .

Đầu dò cơ học dạng dây nano (nanowire). Thay vì sử dụng phương pháp đọc tín hiệu quang học (optical readout) như trong các cảm biến trung tâm NV kim cương, nền tảng SQUINT phát hiện tín hiệu lượng tử một cách cơ học. Các đầu dò dây nano có đường kính 100 nm (kích thước tương đương một virus) và dài 20 micron (bằng đường kính một sợi tóc người) . Cách tiếp cận phát hiện cơ học này hoàn toàn mới đối với cảm biến lượng tử và cho phép đặt cảm biến gần hơn nhiều so với các phân tử mục tiêu so với các cảm biến dựa trên kim cương .

Ý nghĩa đối với việc chụp ảnh protein đơn lẻ và khám phá thuốc

Khả năng đặt một phân tử cảm biến ngay cạnh mục tiêu – mà không bị khóa trong một mạng tinh thể như các trung tâm NV trong kim cương – mang lại cho trityl-OX063 một lợi thế cơ bản về khoảng cách tiếp cận . Các nhà nghiên cứu hình dung ra một số ứng dụng mạnh mẽ:

• Lập bản đồ cấu trúc protein đơn lẻ. Các kỹ thuật chụp ảnh phân tử hiện tại yêu cầu các mẫu lớn, được lấy trung bình và không thể tiết lộ cấu trúc độc nhất của một protein đơn lẻ. Kỹ thuật này có thể đo môi trường từ của từng nguyên tử riêng lẻ bên trong một protein, cho phép lập bản đồ cấu trúc trực tiếp ở cấp độ phân tử .
• Khám phá thuốc. Việc chụp ảnh chính xác các protein đơn lẻ có thể tiết lộ cách bệnh tật phát triển ở cấp độ phân tử và cách các ứng cử viên thuốc tương tác với mục tiêu của chúng, từ đó giúp thiết kế các phương pháp điều trị hiệu quả hơn .
• Lợi thế về khoảng cách gần. Vì các phân tử trityl-OX063 không bị khóa trong mạng tinh thể, chúng có thể được gắn hóa học hoặc đặt trong vòng vài nanomet của phân tử mục tiêu, mang lại khả năng kiểm soát vị trí cảm biến ở cấp độ phân tử mà các nền tảng hiện có không thể sánh được .

Hiện trạng và lộ trình phát triển

Cảm biến SQUINT hiện đã có thể phát hiện trạng thái từ của khoảng 10 spin hạt nhân . Tiến sĩ Raffi Budakian, người dẫn dắt nghiên cứu, cho biết nhóm có một lộ trình rõ ràng để đạt được độ nhạy ở mức một spin – bước quan trọng cần thiết để lập bản đồ cấu trúc của các phân tử đơn lẻ . Công trình này đại diện cho một bước tiến thực tế hướng tới việc sử dụng các cảm biến lượng tử để trả lời những câu hỏi trong sinh học và y học mà trước đây vẫn nằm ngoài tầm với của các kỹ thuật cổ điển.