[논문 리뷰] Atomic-scale nuclear spin imaging using quantum-assisted sensors in diamond

Ashok Ajoy, Ulf Bissbort외 3명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2014. 07. 11.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심을 이용한 양자 센싱 프로토콜을 제안하여 생물분자의 원자 크기 수준의 핵 스핀 영상 촬영을 실현한다. 양자 메모리(15N 핵 스핀)와 공명 제어를 활용해 동적 주파수 필터를 구축함으로써 공간 해상도를 10배 향상시켜, 환경 조건에서 복잡한 단백질 내 개별 핵 스핀의 선택적 탐지 및 구조 맵핑을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생물분자의 자연적이고 실온 조건에서 원자 크기 수준의 핵 스핀 영상 촬영을 가능하게 한다.
• 밀도가 높고 복잡한 분자 구조에서 충분한 공간 해상도를 확보하지 못하는 전통적 NV 센싱 기술의 한계를 극복한다.
• 공명 제어를 통해 주파수 해상도를 향상시켜 단백질 내 개별 핵 스핀의 선택적 탐지를 실현한다.
• 고해상도 스핀 센싱을 통해 생물분자의 국소적 스핀 결합 및 구조적 세부 정보를 규명한다.
• 실제 생물계에서 적용 가능한 최소한의 오차로 핵 스핀 위치를 재구성할 수 있는 실용적 프로토콜을 개발한다.

제안 방법

• NV 중심의 긴 공명 시간과 동적 분리 기법을 활용해 센싱 시간을 수 밀리초 수준으로 연장한다.
• NV 중심과 연결된 15N 핵 스핀을 통해 양자 메모리를 구현함으로써 장시간의 측정과 더 날카운 주파수 필터링을 가능하게 한다.
• NV의 두극자 자기장으로 기하학적 기울기 해밀토니안을 설계하여 공간적으로 변화하는 자기장을 생성하고 주파수 선택성을 향상시킨다.
• 주기적인 제어 펄스를 사용한 스핀 锁정 프로토콜을 적용해 특정 핵 스핀을 그들의 라모르 주파수에 따라 고유하게 분리하는 동적 주파수 필터를 형성한다.
• 스핀-스핀 결합에 의한 폭증을 줄이기 위해 스핀 锁정 중 동안 동일핵 분리 시퀀스(예: WAHUHA)를 통합한다.
• 시간 평균 효과 해밀토니안을 갖는 펄스 시퀀스를 사용해 공명 제어를 근사화함으로써 비가환 항의 오차를 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NV 기반 센서는 생물분자의 핵 스핀 영상에서 원자 크기 수준의 공간 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 양자 메모리와 공명 제어는 기존 NV 센싱의 한계를 초월해 주파수 해상도를 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 밀도가 높은 생물분자 환경에서 개별 핵 스핀을 탐지할 수 있는 최대 공간 해상도는 얼마인가?
• RQ4 스핀-스핀 결합과 핵 스핀 폭이 스핀 위치 재구성의 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 프로토콜은 단백질 내 핵 스핀의 3차원 위치를 최소한의 불확실성으로 재구성할 수 있는가?

주요 결과

• 동적 주파수 필터를 활용함으로써 공간 해상도를 10배 향상시켜 원자 크기 정밀도(나노미터 이하 수준)를 달성한다.
• 15N 핵 스핀을 양자 메모리로 사용함으로써 장시간 측정이 가능해져 주파수 필터가 날카롭게 개선되고 해상도가 향상된다.
• 모델 생물분자(CXCR4)에 대한 시뮬레이션 결과, 이 프로토콜은 NV 중심으로부터 2–5 nm 이내의 개별 13C 핵 스핀을 구분할 수 있음을 보여준다.
• 이 프로토콜은 개별 핵 스핀의 선택적 탐지와 결합 상수 추출이 가능하게 하여 구조적 특성 분석이 가능하다.
• 동일핵 분리 시퀀스는 핵 스핀 폭을 감소시켜 스핀-스핀 결합에 의한 폭증 효과를 완화한다.
• 선형 회귀 분석을 통해 재구성된 스핀 위치의 부피 불확도가 제한됨을 확인하였으며, 이는 방법의 정확도를 정량적으로 평가할 수 있는 기준이 된다.