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Quantum relaxometry for detecting biomolecular interactions with single NV centers

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作者
Min Li,Qi Zhang,Xi Kong,Sheng Zhao,Baishen Pan,Ziting Sun,Pei Yu,Zhecheng Wang,Mengqi Wang,Wentao Ji,Fei Kong,Guanglei Cheng,Si Wu,Ya Wang,Sanyou Chen,Xun‐Cheng Su,Fazhan Shi
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (35): e2509102122-e2509102122 被引量:1
标识
DOI:10.1073/pnas.2509102122
摘要

The investigation of biomolecular interactions at the single-molecule level has emerged as a pivotal research area in life science, particularly through optical, mechanical, and electrochemical approaches. Spins existing widely in biological systems offer a unique degree of freedom for detecting such interactions. However, most previous studies have been largely confined to ensemble-level detection in the spin degree. Here, we developed a molecular interaction analysis method approaching single-molecule level based on relaxometry using the quantum sensor, nitrogen-vacancy (NV) center in diamond. Experiments utilized an optimized diamond surface functionalized with a polyethylenimine nanogel layer, achieving ∼ 10 nm average protein distance and mitigating interfacial steric hindrance. Then we measured the strong interaction between streptavidin and spin-labeled biotin complexes, as well as the weak interaction between bovine serum albumin and biotin complexes, at both the micrometer scale and nanoscale. For the micrometer-scale measurements using ensemble NV centers, we reexamined the often-neglected fast relaxation component and proposed a relaxation rate evaluation method, substantially enhancing the measurement sensitivity. Furthermore, we achieved nanoscale detection approaching single-molecule level using single NV centers. This methodology holds promise for applications in molecular screening, identification, and kinetic studies at the single-molecule level, offering critical insights into molecular function and activity mechanisms.
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