[論文レビュー] Atomic-scale nuclear spin imaging using quantum-assisted sensors in diamond

Ashok Ajoy, Ulf Bissbort+3 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Jul 11, 2014

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、ダイヤモンド中の窒素空位（NV）中心を用いた量子センシングプロトコルを提案し、生体分子において原子スケールの核スピン像を実現する。量子メモリ（15N核スピン）とコherent制御を活用して動的周波数フィルタを構築することで、空間分解能を10倍に向上させ、常温下の複雑なタンパク質において個々の核スピンの選択的検出と構造マッピングを可能にする。

ABSTRACT

Nuclear spin imaging at the atomic level is essential for the understanding of fundamental biological phenomena and for applications such as drug discovery. The advent of novel nano-scale sensors has given hope of achieving the long-standing goal of single-protein, high spatial-resolution structure determination in their natural environment and ambient conditions. In particular, quantum sensors based on the spin-dependent photoluminescence of Nitrogen Vacancy (NV) centers in diamond have recently been used to detect nanoscale ensembles of external nuclear spins. While NV sensitivity is approaching single-spin levels, extracting relevant information from a very complex structure is a further challenge, since it requires not only the ability to sense the magnetic field of an isolated nuclear spin, but also to achieve atomic-scale spatial resolution. Here we propose a method that, by exploiting the coupling of the NV center to an intrinsic quantum memory associated with the Nitrogen nuclear spin, can reach a tenfold improvement in spatial resolution, down to atomic scales. The spatial resolution enhancement is achieved through coherent control of the sensor spin, which creates a dynamic frequency filter selecting only a few nuclear spins at a time. We propose and analyze a protocol that would allow not only sensing individual spins in a complex biomolecule, but also unraveling couplings among them, thus elucidating local characteristics of the molecule structure.

研究の動機と目的

• 生体分子の自然で常温の環境下における原子スケールの核スピン像の実現。
• 密度が高く複雑な分子構造に対して十分な空間分解能を欠く従来のNVセンシングの限界を克服すること。
• コherent制御による周波数分解能の向上を通じ、タンパク質内における個々の核スピンの選択的検出を達成すること。
• 高分解能スピンセンシングを用いて、生体分子の局所的スピン結合と構造的詳細を解明すること。
• 実際の生物学的系に適した、最小限の誤差で核スピン位置を再構成する実用的プロトコルの開発。

提案手法

• NV中心の長いコherences時間とダイナミカルデカップリングを活用し、センシング時間を数100マイクロ秒に延長する。
• NV中心と関連する15N核スピンを用いて量子メモリを実装し、長時間の取得と鋭い周波数フィルタリングを可能にする。
• NVの双極子場を用いて勾配ハミルトニアンを設計し、空間的に変化する磁場を生成することで周波数選択性を向上させる。
• 周期的な制御パルスを用いたスピンロックプロトコルを適用し、ラーモア周波数に基づいて特定の核スピンを分離する動的周波数フィルタを構築する。
• スピンロック中にホモ核デカップリングシーケンス（例：WAHUHA）を統合し、核スピン線幅を低減してスペクトル分解能を向上させる。
• 非可換項の誤差を最小限に抑えるために、時間平均有効ハミルトニアンを用いたパルスシーケンスを採用し、コherent制御を近似する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NVベースのセンサは、生体分子の核スピン像において原子スケールの空間分解能を達成できるか？
• RQ2 量子メモリとコherent制御をどのように用いることで、標準的なNVセンシングの限界を超えた周波数分解能を実現できるか？
• RQ3 密度の高い生体分子環境下で、個々の核スピンを検出可能な最大空間分解能は何か？
• RQ4 スピン-スピン結合と核スピン線幅は、スピン位置再構成の忠実度にどのように影響するか？
• RQ5 提案されたプロトコルは、タンパク質内の核スピンの3次元的位置を最小限の不確実性で再構成できるか？

主な発見

• 動的周波数フィルタを用いることで、空間分解能が10倍向上し、原子スケールの精度（ナノメートル未満レベル）に達する。
• 15N核スピンを量子メモリとして用いることで、長時間の取得が可能となり、周波数フィルタが鋭くなり分解能が向上する。
• モデル生体分子（CXCR4）に対するシミュレーションでは、NV中心から2–5 nm圏内に存在する個々の13C核スピンを解像可能である。
• プロトコルにより、個々の核スピンの選択的検出と結合定数の抽出が可能となり、構造的特徴の同定が可能になる。
• ホモ核デカップリングシーケンスにより核スピン線幅が低減され、スピン-スピン結合に起因する広がり効果が緩和される。
• 線形回帰解析を用いて再構成されたスピン位置の体積不確実性が制限され、本手法の精度を定量化する指標が得られる。