想像一下你想要針對膝蓋進行核磁共振掃描成像 (MRI)，此類型的掃描將會以一立方毫米的解析度來掃描量測膝蓋中的水分子密度，這個資訊對於判讀膝蓋半月板是否撕裂等情況相當有用。但是如果你需要研究一個五立方奈米尺寸的單一分子結構資料，對比到目前核磁共振掃描儀所能產生最佳分辨率僅有十兆分之一尺寸，你該怎麼辦呢？這正是以色列魏茲曼科學研究院化學與生物物理學系的 Amit Finkler 博士想要達成的目標。在最近的一項研究發表中，Finkler、博士生 Dan Yudilevich 與其德國斯圖加特大學 (Universität Stuttgart) 的合作團隊成功地朝向這個目標邁進一大步。此方法目前還在起步階段，期望有朝一日能夠適用於各種分子成像，其將可能會為藥物開發與量子材料特徵描述領域帶來革命性的進展。
數十年來，當代核磁共振掃描成像技術於多種疾病診斷扮演著舉足輕重的角色，儘管這項技術對於無數人的生命具有開創性的意義，仍舊有一些潛在問題尚待解決。例如：核磁共振掃描成像的讀取效率極低，需要數千億個水分子樣本量才能有作用。這種低效的副作用主要在於其輸出經過平均。當你針對許多不同成分進行平均之後，一些細節，如隱藏在較小規模下發生的重要過程，將有可能會遭到遺漏。
至於這個副作用是否造成影響，取決於你想要詢問的問題是什麼，例如：一張充滿擁擠人潮的足球場照片可以擷取出許多訊息，但如果我們想要知道坐在第十四排第三個座位上的人臉上那顆痣的資訊，那麼這張照片將難以達到我們的需求。如果我們想要得到更多關於那個痣的數據，靠近點觀察可能是正確的方向。Finkler 與其合作夥伴正是建議這種分子特寫影像方法。使用這樣的工具將能夠讓研究人員仔細檢視重要分子的結構，其可能引導出一條新的道路。此外，在某些情況下，例如：藥物開發的早期階段，這樣的小型畫布形式的資訊是研究本身不可或缺的部分。
那麼，究竟怎樣才能實現更精準的核磁共振掃描成像，使其能夠適用到小型樣本，甚至達到單一分子的程度呢？Finkler、Yudilevich 與德國斯圖加特大學 Rainer Stöhr 博士以及 Andrej Denisenko 博士開發了一種可以精確定位電子位置的方法。此方法利用了氮-空缺中心附近的旋轉磁場，這是一種在特殊合成鑽石中所產生的原子尺寸缺陷，因此可被用來當成量子感測器。由於其擁有原子大小左右的尺寸，讓此感測器對於周遭變化特別靈敏。且因為它的量子特性，可用來區分是否存在單電子或是多電子，因此特別適用於高精確度單電子位置量測。
Finkler表示：「這個新方法能夠為現有方法提供互補的觀點，藉此更加地理解結構、功能與動力學這個”神聖分子三位一體”的概念。」對於 Finkler 與其團隊而言，這個研究是朝向精準奈米成像技術的關鍵步驟，他們展望了一個我們能夠使用這個技術對不同類型分子進行成像甚至是特寫的願景。
■ 跨領域研究背景
Amit Finkler 博士最初是以研究生的身份加入了魏茲曼科學研究院，他在物理學院的 Eli Zeldov 教授指導下完成了碩士與博士學位。他隨後前往德國斯圖加特大學進行博士後研究員研究，最後回到魏茲曼科學研究院的化學學院成立了自己的實驗室。
Finkler 表示：「我是一個徹頭徹尾的物理學家，但在化學學院內的研究工作開啟了許多令人振奮的可能性。雖然目前我的實驗室主要還是以物理取向的學生為主，但是我們也有化學家以及工程師。這是一個很棒的組合，能夠整合不同技術與領域，對於我所感興趣的研究方向是不可或缺的。我喜歡修補著光學，也享受低溫灼傷，而現在我們也有機會在我們的鑽石上撒上這種化工所設計的分子！」
資料來源：
https://wis-wander.weizmann.ac.il/space-physics/molecular-close
