北大毕业生成功将钻石超极化，或推动癌症早期检测 | 专访
“这种钻石示踪剂可以同时通过磁共振成像（MRI）和荧光信号提供信息，获取高分辨率的高质量图像，同时观测深度也能达到光学显微镜的 10 倍以上。” 谈及量子精密测量的最新成果，来自加州大学伯克利的博士吕旭东向 DeepTech 介绍道。
图 | 吕旭东（来源：受访者）
当前，信息技术正逐渐向量子信息技术跨越，新一轮技术革命即将到来。在这种趋势下，全球很多科研工作者都在探索不同量子技术平台。
在超导量子比特、离子阱、固体量子比特、里德堡原子等一众实验体系里，钻石氮 - 空位（Nitrogen-Vacancy, NV）色心平台在室温环境中存在一定干扰情况下，仍能保持较好特性的一个平台，吕旭东发现的这种钻石示踪剂便是 NV 色心的最新研究成果。
5 月 25 日，这项新发现以论文形式发表在《美国科学院院报》（PNAS）期刊上，论文以 “金刚石颗粒中的无背景双模光学和 13 C 磁共振成像（Background-free dual-mode optical and 13C magnetic resonance imaging in diamond particles）” 为题，吕旭东担任第一作者。
图 | 相关论文（来源：PNAS）
该研究首次通过钻石实现自旋超极化，进而实现磁共振和光学成像的结合，解决了目前两种成像手段各自存在的缺陷问题，有望在生物技术和医疗行业实现提速。
钻石微粒成功实现超极化
“钻石 NV 色心是目前量子信息领域研究的热点方向。由于 NV 的荧光非常稳定，是一种良好的单光子源，因此常被用于量子密钥分配、生物荧光标记等。另外钻石 NV 色心中的电子自旋常常被作为量子比特或纳米探针。” 吕旭东说。
图 | 钻石（来源：Pixabay）
他向 DeepTech 介绍，NV 色心指的是钻石里的一种特殊发光点缺陷，由一个替代的氮原子与一个碳原子空位组成，是众多顺磁性杂质中的一种。这个空位吸引了一个电子，加上氮原子的一个未成键电子，组成了一个轨道基态自旋为 1 的体系。
据悉，NV 色心的电子基态为自旋三重态，室温下相干时间可达毫秒量级，可以被定位到小于 10nm 的精度，电子自旋对外界磁场非常灵敏，NV 色心与其他待测样品之间距离可以小于 5nm。
基于以上优点，NV 色心一般可作为一种非常强大的量子传感器，不仅性能稳定，并且可在样品表面进行纳米级精度扫描成像时保持实验环境的高度稳定。
NV 的量子特性，让激光能用极高的效率把它极化到特定的自旋状态。研究中，吕旭东通过一种业内称之为朗道 - 基纳（Landau-Zener）的量子转移过程将电子自旋的极化转移到 13 C 原子的自旋上，使得原来极化很低的 13 C 原子极化变高。
这个过程便是钻石中碳原子超极化的过程，是磁共振成像中的关键所在。经过超极化后，碳原子的磁共振信号可提高几百到几千倍，从而更容易被观测到。
图 | 超极化的钻石为核磁共振产生更强的信号（来源：受访者）
传统磁共振的极化方式一般是使用强磁场，以反复测量微弱信号的方式获得可靠信息，每次极化都需要较长的弛豫时间。“考虑到多次测量的时间和弛豫时间，我们的超极化中 1 分钟取得的信号，在传统实验中可能需要几年的时间。” 吕旭东表示。
在精密测量过程中，NV 色心主要作出了两个贡献，那便是提升被测信号本身的强度以及提升测量的敏感度和精度。正是通过以上方法以及 NV 的突出表现，吕旭东最终实现了钻石碳 13 的超极化磁共振成像，这在量子测量研究中尚属第一次。
首次实现双模式成像，开辟科研全新视角
据了解，NV 色心的荧光是一种非常稳定的光子源，经常被用于量子密钥分配、生物荧光标记等。他表示：“我们在研究中，同时利用了 NV 的这个光学特性和超极化的特点，首次实现了基于金刚石的双模态成像。”
目前，生化研究有一个无法忽视的难题，即以当前的技术手段对生物组织进行观测，往往需要在探查深度与获得图像的清晰度之间进行权衡。
使用光学显微镜观察细胞或组织内部结构时，分辨率可以达到亚微米级，但确保光线能穿透而不散射的检测深度却只有毫米级别；虽然磁共振成像的射频可到达人体任何部位，不过该技术在分辨率上的缺点也非常明显 —— 比光学成像差几个数量级。
图 | 钻石颗粒通过光学和 MRI 进行成像（来源：受访者）
结合两种成像方式，既克服了每种成像的缺点，又保留了各自的优点。双模态成像还有一个有趣之处就是两个模态分别在两个傅立叶共轭的空间中进行采样，研究中提出的共轭空间采用方法可以大大提高成像时的采样速度和采样精度。
此前，也有学者尝试过磁共振的高质量成像，但是没有成功，而钻石示踪剂的出现在分辨率和观测深度上取得了较好的平衡。
借助这种示踪剂，研究人员可同时通过 MRI 和荧光信号提供信息，从而获取组织表面以下 1 厘米处的高质量图像，其深度也可达到光学观测的 10 倍。
通过使用双观测模式，科研人员不仅可以获得大量组合信息，而且在成像速度上要远远高于单一的光学成像或者磁共振成像，这为相关研究提供了一个全新的角度和方式。
师从磁共振先驱 ，投身量子领域
据吕旭东介绍，他先在北京大学获得物理学学士学位，后在加州大学伯克利分校获得博士学位。小时候，他就在物理方面表现出极高的天赋，中学时参加物理竞赛并因此成功保送至北京大学物理学院，期间又对量子科学产生了浓厚的兴趣。
博士期间，他师从磁共振领域先驱、沃尔夫奖得主、美国两院院士亚历山大・派因斯（Alexander Pines）。派因斯是伯克利实验室材料科学部的高级科学家，同时也是加州大学伯克利分校的 Glenn Seaborg 化学教授，更是全球 MRI 技术的权威之一。在过去二十年里，派因斯一直在使用量子调控技术和磁共振技术进行相应的科学研究。
图 | 亚历山大・派因斯（Alexander Pines）（来源：伯克利化学学院）
同时吕旭东还受到他的第二导师杰夫・里莫（Jeffrey Reimer）的指导，里莫是伯克利化学和生物分子工程学院的院长，也是将科学研究应用到实际生活中的先驱。得益于两位导师的教诲，吕旭东在量子学领域取得了长足进展。目前吕旭东是加州大学伯克利分校和加州理工大学的联合博士后研究员，正负责主导一个新的冷原子量子平台的搭建。
此前，有不少人尝试过这项研究，但是并不成功。如何实现在微金刚石中的超极化，是领域中的一个很大挑战。吕旭东和团队首次搭建了一套兼容高低场的设备（Ajoy, A., Lv, X., et al. Wide dynamic range magnetic field cycler: Harnessing quantum control at low and high fields, Review of Scientific Instruments），经过长时间的不同路径探索，在一次偶然机会中，发现了这种超极化的方法。经过不断优化，这种超极化方法最终成型。
随后吕旭东和团队做了大量工作，包括研究自旋极化过程中的理论、进而优化超极化的标准流程，然后把整套设备的电子元件等小型化，接着研究材料对于超极化的影响，并对材料进行改进，这才获得了成熟技术。
在这项研究中，吕旭东使用的自制超极化器装置，工程师是来自加州大学伯克利分校的科学家伊曼纽尔・杜加（Emanuel Druga）。传统强磁场磁共振谱仪的成本一般在几十万到几百万美元之间，但是利用超极化后，成本可以降到几千美元。而且钻石示踪剂也很便宜，易用性也更高。
将钻石微粒作为成像的标记物，然后研究生物样品或者医学中特定位置的组织及细胞，会比传统磁共振成像的效率更高。