程屹山，劉文耀，邢恩博，唐 軍，劉 俊

(1.中北大學(xué)電子測(cè)量技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

0 引言

地磁場(chǎng)是指地球和周圍空間之間存在的磁場(chǎng)，在地球近地空間內(nèi)任意一點(diǎn)的地磁矢量都不同于其他地點(diǎn)，且與該地點(diǎn)的經(jīng)緯度存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。理論上只要確定該點(diǎn)的地磁場(chǎng)矢量即可實(shí)現(xiàn)全球定位，因此，地磁是導(dǎo)航領(lǐng)域的一種天然坐標(biāo)系，如圖1所示[1]。此外，地磁導(dǎo)航由于隱蔽性好、適應(yīng)性強(qiáng)、誤差不會(huì)隨著時(shí)間產(chǎn)生累積等優(yōu)勢(shì)，能夠在理論上實(shí)現(xiàn)全天候、全地域的導(dǎo)航服務(wù)。

然而，磁羅盤在多數(shù)情況下充當(dāng)輔助角色，如何借助這一天然信息實(shí)現(xiàn)自主精確導(dǎo)航是目前研究的難題。在生物界，遷徙中的候鳥、海龜、鮭魚可以依靠地磁導(dǎo)航，跨越上千千米準(zhǔn)確歸巢。正因?yàn)槿绱?，生物磁?dǎo)航機(jī)制一直吸引著相關(guān)領(lǐng)域的研究人員進(jìn)行探究，而這一研究的突破也將成為仿生磁導(dǎo)航研究的關(guān)鍵性的一步。

本文將結(jié)合過(guò)去幾十年來(lái)科學(xué)家對(duì)其研究的成果及進(jìn)展進(jìn)行評(píng)述，對(duì)動(dòng)物感磁的自由基對(duì)機(jī)理(Radical Pair Mechanism，RPM)進(jìn)行詳細(xì)分析，并對(duì)與之相關(guān)的磁敏材料的制備及其磁場(chǎng)探測(cè)方式進(jìn)行分析與總結(jié)。

1 生物磁響應(yīng)機(jī)制

仿生地磁導(dǎo)航經(jīng)過(guò)40余年的研究，有兩種假說(shuō)得到了學(xué)者們的廣泛認(rèn)可：磁受體假說(shuō)和自由基對(duì)假說(shuō)。前者以磁性顆粒為受體，后者以自由基對(duì)機(jī)理為核心。其中，自由基對(duì)機(jī)理是1978年由Schulten和Weller[2]教授將電子自旋理論引入到鳥類導(dǎo)航中提出的。這一假說(shuō)認(rèn)為電子自旋耦合和外磁場(chǎng)的共同作用導(dǎo)致單重態(tài)與三重態(tài)之間躍遷的方向不同，從而對(duì)化學(xué)反應(yīng)的速率產(chǎn)生影響，使產(chǎn)率及產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)與磁場(chǎng)建立聯(lián)系。

然而，自從這一機(jī)制被提出后就不斷受到質(zhì)疑，直到一種可以用作化學(xué)羅盤系統(tǒng)的藍(lán)光感光蛋白被發(fā)現(xiàn)，才引起人們的廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，用于候鳥導(dǎo)航的自由基對(duì)對(duì)藍(lán)光及近紫外光具有較強(qiáng)的光依賴性，其中Cry磁感蛋白很可能就是生物體內(nèi)接受藍(lán)光的磁受體。隨后，Ritz等[3]在《Nature》上發(fā)表文章，通過(guò)低頻振蕩電磁波干擾實(shí)驗(yàn)證實(shí)了自由基對(duì)機(jī)理的正確性。之后，自由基對(duì)機(jī)理由Ritz和Wiltschkos等逐步完善，并得到了廣泛的研究，被認(rèn)為是最可能的、理論最完善的生物磁感應(yīng)機(jī)理。

之后，一系列的實(shí)驗(yàn)和理論研究支持了基于隱花色素的自由基對(duì)假說(shuō)：1)在鳥類視網(wǎng)膜細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了隱花色素，它能滿足鳥類磁定向時(shí)的基本要求，同時(shí)，如果用于光信號(hào)處理的前腦區(qū)發(fā)生病變將會(huì)導(dǎo)致鳥類失去導(dǎo)航能力[4]；2)鳥類利用地磁導(dǎo)航的能力與光的波長(zhǎng)有關(guān)，主要以波長(zhǎng)較短的藍(lán)綠光為主[5]；3)弱射頻場(chǎng)可以破壞鳥的磁定向，并與自由基對(duì)作為研究對(duì)象的預(yù)測(cè)結(jié)果一致[6]；4)利用時(shí)間分辨電子順磁共振波譜觀察到了隱花色素—光解酶中長(zhǎng)壽命的順磁性中間體，檢測(cè)到自旋極化的瞬態(tài)自由基對(duì)信號(hào)，并根據(jù)瞬態(tài)自由基對(duì)的特征線寬、超精細(xì)分裂模式和共振磁場(chǎng)位置，確定了最終的電子供體是色氨酸殘基(Tryptophan，Trp)[7]；5)模型系統(tǒng)中的自由基對(duì)反應(yīng)已經(jīng)被證明能夠?qū)εc地球一樣弱的磁場(chǎng)做出響應(yīng)[8-9]。

1.1 自由基對(duì)模型

隨著研究者們對(duì)這一磁感機(jī)制的深入研究，其逐漸為人們所熟知：候鳥眼睛內(nèi)存在光敏分子隱花色素，容易受光的激發(fā)接受一個(gè)質(zhì)子，并從最鄰近的色氨酸殘基上奪得一個(gè)電子，形成[FADH·+Trp·]自由基對(duì)，進(jìn)而演化產(chǎn)生自旋單重態(tài)和三重態(tài)。自由基對(duì)中未成對(duì)的電子自旋與核自旋相互作用且與外部磁場(chǎng)相互耦合，這些磁性相互作用使單重態(tài)的初始狀態(tài)為非穩(wěn)態(tài)。因此，自由基對(duì)電子自旋態(tài)在單重態(tài)(S)和三重態(tài)(T)之間表現(xiàn)出相干振蕩，弱磁場(chǎng)也會(huì)影響其動(dòng)力學(xué)。當(dāng)外磁場(chǎng)介入后，磁場(chǎng)會(huì)影響單重態(tài)和三重態(tài)分子轉(zhuǎn)換的速率，從而影響其產(chǎn)物及自由基對(duì)輻射退激發(fā)速率(壽命)，這樣就建立了弱磁和光信息轉(zhuǎn)換的機(jī)理[4-5]，被稱為自由基對(duì)機(jī)理。另外，如果自由基對(duì)電子-核超精細(xì)耦合是各向異性的，那么外部磁場(chǎng)對(duì)其影響也是各向異性的，從而使單重態(tài)和三重態(tài)轉(zhuǎn)換對(duì)外部磁場(chǎng)的方向敏感。

1.2 自由基對(duì)機(jī)理需滿足的條件

研究發(fā)現(xiàn)，并不是所有能夠形成自由基對(duì)中間體的化學(xué)反應(yīng)都能夠成為磁羅盤，而要滿足以下5個(gè)基本條件：

1)反應(yīng)中單重態(tài)和三重態(tài)中間體生成的化學(xué)產(chǎn)物不同，只有這樣才能看出磁場(chǎng)對(duì)系間竄越的影響；

2)自由基的單電子必須與核子發(fā)生超精細(xì)耦合作用，因?yàn)槌?xì)耦合不僅能讓自由基對(duì)反應(yīng)感受外磁場(chǎng)的影響，還能感受外磁場(chǎng)的方向；

3)作為磁羅盤的化學(xué)分子必須是具有空間取向的，因?yàn)樘幵谌芤后w系中的自由基對(duì)可以轉(zhuǎn)動(dòng)，從而抵消超精細(xì)耦合對(duì)外磁場(chǎng)的各向異性；

4)磁敏感的自由基對(duì)需由光激發(fā)形成；

5)自由基對(duì)中間體具有適當(dāng)?shù)牧孔訅勖?，壽命太長(zhǎng)會(huì)被噪聲干擾，而太短則不足以感受微弱地磁場(chǎng)的變化。

目前，自由基對(duì)機(jī)理成為了研究者們廣泛接受的動(dòng)物磁感受機(jī)制(圖2)。近年來(lái)，生物學(xué)家們也發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多的諸如隱花色素之類的基于自由基對(duì)機(jī)制的磁敏感分子。因此，這些磁敏分子的磁敏性能引起了生物學(xué)家們的研究興趣。

圖2 候鳥的地磁導(dǎo)航機(jī)制Fig.2 Geomagnetic navigation mechanisms of migratory birds

2 基于自由基對(duì)機(jī)制的磁敏分子

2.1 藍(lán)光受體—隱花色素

隱花色素作為生物體內(nèi)最重要的藍(lán)光受體之一，廣泛存在于各種動(dòng)植物體內(nèi)，參與了多項(xiàng)生物體內(nèi)生理功能的調(diào)節(jié)，與生物節(jié)律緊密相關(guān)。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)，隱花色素是遷徙鳥類利用地磁導(dǎo)航的關(guān)鍵部件，也是最早發(fā)現(xiàn)存在于鳥類視網(wǎng)膜上且能夠滿足自由基對(duì)機(jī)理的磁敏蛋白分子。

在隱花色素的光化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，黃素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Adenine Dinucleotide，F(xiàn)AD)和3個(gè)色氨酸(TrpA、TrpB、TrpC)共同組成一個(gè)三聯(lián)體分子，F(xiàn)AD受光照后處于激發(fā)態(tài)FAD*，電子經(jīng)TrpC傳遞到FAD，形成自旋相關(guān)自由基對(duì)(Spin-Correlated Radical Pair，SCRP)，如圖3所示。研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥隱花色素、鳥類隱花色素和海藻隱花色素等都可以形成長(zhǎng)壽命的自由基對(duì)，并滿足地磁條件下的磁場(chǎng)效應(yīng)(Magnetic Field Effects, MFE)。

圖3 天然隱花色素蛋白的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of natural cryptocyanin protein

越來(lái)越多的科學(xué)家們對(duì)各種隱花色素的磁場(chǎng)效應(yīng)產(chǎn)生了極大的興趣。先前，Marley等[10]研究了不同環(huán)境下，隱花色素的磁場(chǎng)依賴性對(duì)果蠅癲癇發(fā)作時(shí)間的影響，表明在藍(lán)光(470nm)、磁場(chǎng)和Cry01/03作用下，果蠅癲癇的發(fā)作時(shí)間長(zhǎng)。這是隱花色素的磁場(chǎng)效應(yīng)對(duì)生物行為影響的一個(gè)強(qiáng)有力的證明。

那么隱花色素在不同溶液體系下的磁場(chǎng)效應(yīng)會(huì)有怎樣的變化？由于可能為磁感應(yīng)分子的隱花色素不易被研究，而隱花色素光化學(xué)過(guò)程的關(guān)鍵組分是黃素，因此，通過(guò)研究黃素溶液體系的磁場(chǎng)效應(yīng)能夠?qū)θ藗冄芯侩[花色素的磁感應(yīng)機(jī)理起到很大的借鑒作用。

目前，基于黃素的磁感蛋白模型體系被認(rèn)為是最好的模型替代品，黃素是藍(lán)光感光蛋白中重要的輔助因子。特別是其中的隱花色素，是動(dòng)物磁感受自由基對(duì)假說(shuō)的核心推定的磁感受器[11]。黃素容易與電子供體(例如色氨酸)發(fā)生依賴于pH值的光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移，從而生成自旋相關(guān)的自由基對(duì)(Radical Pairs，RPs)，這些自由基對(duì)可經(jīng)歷單重態(tài)和三重態(tài)之間的相干演化以及自旋選擇性逆向電子傳遞，使得它們的光循環(huán)對(duì)外部磁場(chǎng)敏感。

由于在溶液環(huán)境中，適當(dāng)?shù)碾娮庸w和受體可以發(fā)生光致電子轉(zhuǎn)移形成SCRP，表現(xiàn)出磁場(chǎng)效應(yīng)。之后，許多科學(xué)家對(duì)基于黃素溶液體系的磁場(chǎng)效應(yīng)作了一系列研究。Tomoaki等[12]通過(guò)研究色氨酸和黃素單核苷酸(Flavin Mononucleotide，F(xiàn)MN)的混合溶液，發(fā)現(xiàn)其MFE僅為2%。隨著Mohtat等研究提出了蛋白質(zhì)與自由基之間的庫(kù)倫作用對(duì)MFE有著重要影響，Tomoaki等[12]再次對(duì)黃素蛋白體系展開了更細(xì)致的研究。通過(guò)測(cè)量雞蛋白溶菌酶(Hen Egg-White Lysozyme，HEWL)和FMN混合溶液體系，得到在水溶液中的MFE高達(dá)13%(250mT)，而在加入NaCl溶液中的MFE降低為7%左右。

緊接著，生物學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，在膠團(tuán)環(huán)境中的黃素溶液體系具有更好的環(huán)境相似性。于是Horiuchi等對(duì)此作了研究，發(fā)現(xiàn)在基于黃素溶液的膠束環(huán)境下，由核黃素(Riboflavin，RF)、FMN以及四丁酸核黃素(Riboflavin Tetrabutyrate，RFTB)和色氨酸形成的SCRP同樣具有MFE，且在FMN膠團(tuán)溶液中施加200mT磁場(chǎng)時(shí)的MFE約為3%～7%，RF/Trp體系可達(dá)15%(200mT)，RF/Ind體系可達(dá)25%(200mT)，而在高濃度環(huán)境下的RFTB/Ind體系可達(dá)40%(200mT)。

以上總結(jié)了基于黃素溶液體系的磁場(chǎng)效應(yīng)的研究。為了更加全面地理解隱花色素磁感應(yīng)機(jī)理，研究人員設(shè)計(jì)合成出各種類型的模型分子體系。由于隱花色素光化學(xué)過(guò)程的關(guān)鍵組分是黃素，因此隱花色素模型體系中應(yīng)具有這個(gè)關(guān)鍵因素。

FAD是生物體系中重要的輔酶之一，并且自身就是一個(gè)由電子供體和電子受體組成的鏈連接系統(tǒng)，可在分子內(nèi)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移(圖4)。Lewis等[13-14]通過(guò)瞬態(tài)吸收方法測(cè)量了532nm處FAD的MFE衰減曲線的PH依賴性，當(dāng)PH=2.3時(shí)，MFE峰值最高，且下降最緩慢；隨著PH值的上升，MFE峰值逐漸減小，且下降越迅速；直至PH=8時(shí)，MFE接近于0，幾乎呈一條直線。接著在532nm激光的激發(fā)下，測(cè)量了FAD的MFE在PH=2.3和PH=8時(shí)隨外部施加磁場(chǎng)的變化，發(fā)現(xiàn)FAD的MFE在PH=8時(shí)隨外部場(chǎng)增大上升迅速；在PH=2.3時(shí)上升緩慢，而這一變化正是由于FAD分子構(gòu)象的變化導(dǎo)致的分子復(fù)合動(dòng)力學(xué)的改變。

圖4 FAD化學(xué)結(jié)構(gòu)的表征Fig.4 Characterization of FAD chemical structure

FAD分子存在堆疊與伸展兩種構(gòu)象，核糖醇基-焦磷酸-核糖鏈間形成穩(wěn)定的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，控制分子構(gòu)象的轉(zhuǎn)變[15]。FAD構(gòu)象也受到溶液介電常數(shù)的影響，其熒光強(qiáng)度與介電常數(shù)呈線性關(guān)系，這一發(fā)現(xiàn)在生物研究方面具有重要價(jià)值。

通過(guò)對(duì)FAD的研究可以看出，溶液酸堿度以及介電常數(shù)的改變均能夠影響分子動(dòng)力學(xué)，從而導(dǎo)致MFE的改變。

實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明在強(qiáng)磁條件下，隱花色素模型體系表現(xiàn)出了明顯的磁場(chǎng)效應(yīng)，但是如此高的磁場(chǎng)強(qiáng)度根本無(wú)法滿足生物磁傳感的實(shí)際應(yīng)用。而在低磁場(chǎng)下，傳統(tǒng)的單通吸收光譜法由于動(dòng)態(tài)范圍有限且通常需要測(cè)量大背景信號(hào)的微小變化而使其靈敏度受到限制。在實(shí)際生物系統(tǒng)中檢測(cè)磁場(chǎng)效應(yīng)時(shí)，這個(gè)問(wèn)題變得尤為嚴(yán)重。

近年來(lái)，在基于寬帶腔增強(qiáng)吸收光譜法方面，牛津大學(xué)的Hore等[16]開發(fā)出了一種新型的冷凝相BBCEAS MFE光譜儀(圖5)。該系統(tǒng)能夠在425～700nm整個(gè)可見光譜區(qū)間同時(shí)記錄MFE，突破了較早的僅限于單波長(zhǎng)測(cè)量的方法，并將其用于FMN和FAD兩種隱花色素磁敏蛋白模型的研究。該儀器將來(lái)自超連續(xù)譜白光光源的光與由2個(gè)寬帶涂覆的反射鏡形成的簡(jiǎn)單光學(xué)腔耦合，以提供全可見光譜覆蓋(425～750nm)。在近似十幾mT的外部磁場(chǎng)下，測(cè)量基于黃素的磁感模型體系化學(xué)反應(yīng)的磁場(chǎng)效應(yīng)，可以得到最小可檢測(cè)吸光度<10-7，從而允許檢測(cè)到MFEs<10-4,并為實(shí)際檢測(cè)生物樣品中的MFE提供了可觀的前景。

圖5 用于磁場(chǎng)效應(yīng)研究的BBCEAS系統(tǒng)Fig.5 BBCEAS system for the study of magnetic field effects

那么像地球一樣大小的弱磁條件下，隱花色素蛋白是否也能表現(xiàn)出一定的MFE呢？

2014年，國(guó)防科技大學(xué)的杜現(xiàn)禮等[17]從昆蟲細(xì)胞中分離純化出了鴿子隱花色素蛋白，并發(fā)現(xiàn)在常溫常壓下該隱花色素蛋白能夠?qū)Φ卮糯笮〉膱?chǎng)強(qiáng)做出響應(yīng)，而該技術(shù)與方法也是國(guó)內(nèi)外的首例實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)黑暗條件下解凍的C/CRY1蛋白樣品進(jìn)行瞬態(tài)熒光光譜的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁場(chǎng)為45μT時(shí)，瞬態(tài)熒光上升最快，衰減也最快；當(dāng)磁場(chǎng)為55μT和75μT時(shí)，曲線右移；當(dāng)磁場(chǎng)為142μT和285μT時(shí)，曲線左移。在排除了儀器本身受環(huán)境影響的情況下，表明磁場(chǎng)對(duì)蛋白分子FAD產(chǎn)生了影響。

鴿子隱花色素的成功提取以及對(duì)地磁信號(hào)的特異性響應(yīng)為生物學(xué)的研究再一次邁出了關(guān)鍵性的一步。然而動(dòng)物隱花色素的獲取依舊較為困難，為了優(yōu)化動(dòng)物隱花色素的獲取方法，2016年，同樣在國(guó)防科技大學(xué)，袁曉霞等[18]對(duì)鴿子隱花色素(C/CRY1)系統(tǒng)的表達(dá)條件與純化工藝進(jìn)行了詳細(xì)的分析、探索與優(yōu)化，獲得了大量純化的C/CRY1蛋白，最終成功解決了鴿子隱花色素蛋白純化效率低以及在獲取時(shí)出現(xiàn)的輔基脫落的問(wèn)題。

事實(shí)上，磁場(chǎng)對(duì)隱花色素中這種自由基對(duì)反應(yīng)的影響已經(jīng)在許多實(shí)驗(yàn)研究中得到證實(shí)。然而，這些研究幾乎都使用了比地球多幾個(gè)數(shù)量級(jí)的場(chǎng)，只有一項(xiàng)研究為低場(chǎng)效應(yīng)提供了證明。Barton等通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了將DNA與一種修復(fù)紫外線誘發(fā)的病變的光解酶相結(jié)合能夠?qū)ξ⑷醮艌?chǎng)作出響應(yīng)。但從中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，例如，自由基對(duì)壽命極其短暫，且2個(gè)自由基的間距太小而導(dǎo)致極大的交換相互作用，這2個(gè)因素都不符合低場(chǎng)敏感的自由基對(duì)的要求；對(duì)地球強(qiáng)度場(chǎng)的各向異性的響應(yīng)只記錄在模型系統(tǒng)中。

2.2 富勒烯-卟啉-類胡蘿卜素三聯(lián)體(C-P-F)

為了使自由基對(duì)響應(yīng)磁場(chǎng)的方向，必須固定至少一個(gè)自由基，以保留其各向異性的磁性相互作用。為了達(dá)到此目的，Meada等[19]選擇了通過(guò)人工合成的由類胡蘿卜素(C)、卟啉(P)和富勒烯(F)組成的三元組分子，結(jié)構(gòu)如圖6所示。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，該分子能夠?qū)频卮艌?chǎng)(約50μT)的變化產(chǎn)生響應(yīng)。

圖6 C-P-F磁感應(yīng)模型的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)Fig.6 Chemical molecular structure of C-P-F magnetic induction model

C-P-F分子最初是用來(lái)作為研究光合作用過(guò)程的有效的模型分子，雖然之前對(duì)黃素分子混合溶液體系的磁場(chǎng)效應(yīng)研究不少，但是，還沒(méi)有一種能夠?qū)ｉT替代隱花色素的模型分子，而光合作用的模型替代分子經(jīng)研究成為了隱花色素的一種很好的替代品。

C-P-F分子在綠光輻照下，內(nèi)經(jīng)電子轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生了自旋相關(guān)的單重態(tài)自由基對(duì)S[C*+-P-F*-]。然后，S[C*+-P-F*-]經(jīng)歷反向電子轉(zhuǎn)移，直接轉(zhuǎn)換為基態(tài)，其速率常數(shù)為ks，或者轉(zhuǎn)換為激發(fā)的三重態(tài)，再退激發(fā)變?yōu)槿貞B(tài)自由基對(duì)，其速率常數(shù)為kT。最后一個(gè)過(guò)程是由2個(gè)未配對(duì)電子的磁相互作用控制的，是磁場(chǎng)敏感的步驟。正如對(duì)相關(guān)的三重態(tài)所觀察到的那樣，外加磁場(chǎng)通過(guò)改變自旋態(tài)的單重態(tài)特征來(lái)改變[C*+-P-F*-]的壽命，從而改變了kS和kT對(duì)整體動(dòng)力學(xué)的相對(duì)貢獻(xiàn)。

Meada等首先描述了外加磁場(chǎng)對(duì)各向同性溶液中自由基對(duì)消失動(dòng)力學(xué)的影響，發(fā)現(xiàn)C-P-F的磁場(chǎng)效應(yīng)的振幅隨溫度的升高而減小，且差分信號(hào)在200K以下呈雙相分布。隨后，測(cè)量了100ns與400ns處C-P-F分子的磁場(chǎng)效應(yīng)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加磁場(chǎng)強(qiáng)度大于1mT時(shí)，400ns處C-P-F的磁場(chǎng)效應(yīng)表現(xiàn)出升高的趨勢(shì)，而100ns處表現(xiàn)為下降的趨勢(shì)，整體呈現(xiàn)出與預(yù)期相同的一種雙相磁場(chǎng)效應(yīng)。當(dāng)施加類似于地磁場(chǎng)強(qiáng)度的場(chǎng)強(qiáng)時(shí)(B～50μT)，顯示出C-P-F吸收的變化高達(dá)1.5%。

要發(fā)揮化學(xué)羅盤的作用，自由基對(duì)磁受體必須對(duì)外部磁場(chǎng)作出各向異性反應(yīng)。隨后，Meada等使用對(duì)準(zhǔn)樣品證明了[C*+-P-F*-]的這種特性。圖7所示為用于測(cè)量[C*+-P-F*-]磁場(chǎng)效應(yīng)各向異性的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，磁場(chǎng)大小為3.1mT。測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，[C*+-P-F*-]的吸收顯示出與θ明顯的相關(guān)性，使用對(duì)準(zhǔn)樣品與光選擇法測(cè)量的最大磁場(chǎng)效應(yīng)分別為1.5%和5%。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[78]Fig.7 Schematic diagram of the experimental device[78]

C-P-F三聯(lián)體的磁場(chǎng)效應(yīng)各向異性的測(cè)量為生物磁傳感的研究跨出了重要的一步。但是，進(jìn)一步提高自由基對(duì)各向異性的磁靈敏度也是研究的難點(diǎn)所在。盡管研究者們對(duì)于優(yōu)化其靈敏度的物理和化學(xué)性質(zhì)尚不清楚，但單重態(tài)和三重態(tài)的重組率顯然起著重要的作用。隨后，Meada等[20]基于此特性對(duì)C-P-F分子的自旋選擇動(dòng)力學(xué)作了詳細(xì)的研究，通過(guò)施加靜態(tài)場(chǎng)、射頻場(chǎng)和微波磁場(chǎng)對(duì)自由基對(duì)自旋態(tài)進(jìn)行控制。最終發(fā)現(xiàn)，C-P-F分子的單重態(tài)重組率遠(yuǎn)大于三重態(tài)重組率(kS?kT)，顯然這是C-P-F分子強(qiáng)磁效應(yīng)的必要條件，但這是否也是對(duì)生物磁受體的要求還有待觀察。

通過(guò)以上分析，C-P-F分子已被證明可用作化學(xué)羅盤，且反應(yīng)產(chǎn)率能夠表現(xiàn)出對(duì)磁場(chǎng)方向的敏感性。之后，為了進(jìn)一步表征該系統(tǒng)，Meada等[21]再次開發(fā)出了一種時(shí)間分辨的低頻反應(yīng)檢測(cè)磁共振(time-resolved Low-Frequency Reaction Yield Detected Magnetic Resonance, tr-LF-RYDMR)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)改變所施加的靜態(tài)磁場(chǎng)和36MHz振蕩磁場(chǎng)的相對(duì)方向，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)磁場(chǎng)與振蕩磁場(chǎng)的角度所引起的磁敏性極大程度上依賴于超精細(xì)耦合相對(duì)于靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小。這一發(fā)現(xiàn)也為解釋之前使用弱靜態(tài)場(chǎng)(46μT)對(duì)動(dòng)物進(jìn)行研究的實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)至關(guān)重要的考慮因素。

以上實(shí)驗(yàn)基本表明，C-P-F三聯(lián)體能夠?qū)Φ卮艌?chǎng)產(chǎn)生響應(yīng)，且對(duì)弱磁場(chǎng)也能夠產(chǎn)生各向異性的響應(yīng)。而為了進(jìn)一步觀察C-P-F對(duì)近似地磁場(chǎng)的各向異性的響應(yīng)，Christian等[9]利用瞬態(tài)吸收光譜法，通過(guò)3對(duì)相互垂直的亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的幅度恒定但方向變化的磁場(chǎng)，證明了C-P-F分子對(duì)微弱磁場(chǎng)(～1G)明顯的取向依賴性。這也是C-P-F分子對(duì)近似地磁場(chǎng)各向異性響應(yīng)的首例實(shí)現(xiàn)。

簡(jiǎn)而言之，C-P-F是目前通過(guò)人工合成的能夠檢測(cè)到地磁變化的磁敏蛋白。但由于實(shí)驗(yàn)不符合常溫常壓的條件，需在極低的溫度下進(jìn)行，因此，該磁感分子沒(méi)有被廣泛用于實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中。

2.3 鏈狀合成分子

探索能夠代替生物體內(nèi)磁感受器的模型體系的步伐并未停止。眾所周知，電子轉(zhuǎn)移對(duì)芘/N,N-二甲基苯胺(Py/DMA)的激基復(fù)合物熒光依賴于磁場(chǎng)。緊接著，許多科學(xué)家基于該自由基離子對(duì)作了研究，Roy等[22]通過(guò)研究不同溶劑中Py/DMA的MFE，發(fā)現(xiàn)不同的溶劑極性對(duì)其MFE影響很大，隨著溶劑極性的不斷增大，其MFE先增大后減小，在溶劑介電常數(shù)ε=15時(shí)，MFE達(dá)到極大值。Cohen使用Py/DMA的熒光執(zhí)行一種新型成像，稱為磁熒光成像(Magnetic Fluorescence Imaging，MFI)[23]，可以通過(guò)強(qiáng)烈散射的介質(zhì)(如磨砂玻璃)成像。然而，由于再生率和Py/DMA中自旋演變的微妙相互作用，MFE的大小對(duì)溶劑介電常數(shù)和極性非常敏感，這限制了MFI的效用。而通過(guò)鏈連接電子供體和電子受體的磁感分子能夠增加重組的可能性以及MFE的大小，并在常溫常壓下表現(xiàn)出明顯的磁場(chǎng)效應(yīng)，尤其是當(dāng)2個(gè)自由基的超精細(xì)耦合作用極不對(duì)稱時(shí)，能夠?qū)ν獯艌?chǎng)做出各向異性的響應(yīng)。為了便于合成，目前研究者們擬分別采用菲、芘、蒽等環(huán)狀材料作為電子受體，二甲基苯胺(Dimethylaniline，DMA)作為電子供體，并通過(guò)控制鏈長(zhǎng)而延長(zhǎng)自由基對(duì)的退激發(fā)壽命達(dá)到μs量級(jí)，以便于能夠感知磁場(chǎng)變化的信息。

早在20世紀(jì)80年代，Weller和Staerk以及他們的同事針對(duì)鏈狀分子Py-(CH2)n-DMA展開了一系列磁場(chǎng)效應(yīng)的研究，這些研究成果也促使相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家們對(duì)此類磁感分子進(jìn)行更深入的研究。隨后，Yoshihisa等[24]于1996年合成出了共軛鏈連接的鏈狀磁感分子Phen-(CH2)10-O-(CH2)2-DMA，并研究了該分子在不同環(huán)境下(鏈長(zhǎng)、溶劑、溫度)的磁場(chǎng)效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，該磁感分子隨著亞甲基數(shù)n(n=4,6,8,10,12)的不斷增大，MFE(IB/I0)在B=0.35～0.59T時(shí)呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)；隨著溶劑介電常數(shù)ε的增大(12<ε<37)，MFE(IB/I0)在B=0.26T時(shí)呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)；在B>50mT時(shí)，隨著溫度的不斷增加，n=7的鏈狀分子的MFE(IB/I0)呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，最后測(cè)量得出該分子在一定條件下的MFE高達(dá)140%。緊接著1997年，Yoshihisa等[25]通過(guò)合成不同鏈長(zhǎng)的磁感分子，測(cè)量了強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)Phen-(CH2)n-O-(CH2)2-DMA(n=6～8,10,12)的熒光強(qiáng)度的影響。發(fā)現(xiàn)在施加磁場(chǎng)大于1T時(shí)，磁感分子的MFE會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)?；趯?duì)鏈狀磁感分子在不同環(huán)境下的磁場(chǎng)效應(yīng)的測(cè)量結(jié)果，越來(lái)越多的科學(xué)家們也開始對(duì)這種人工合成分子進(jìn)行探索。

如何提高鏈狀磁感分子的磁感靈敏度是生物磁傳感技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵一步。蔡建明受超精細(xì)耦合對(duì)外磁場(chǎng)各向異性理論研究的啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)利用鐵磁性納米顆粒設(shè)計(jì)材料，能夠改善各向異性的超精細(xì)耦合，提高磁感靈敏性能。Cohen等[26]根據(jù)理論研究也發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)設(shè)計(jì)的納米球狀梯度場(chǎng)，可以顯著提高化學(xué)羅盤的性能。例如直徑10nm的Fe3O4球在其表面產(chǎn)生約600G/nm的梯度場(chǎng)，該梯度場(chǎng)約為電子-核自旋耦合產(chǎn)生磁場(chǎng)的10倍，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)用宏觀線圈產(chǎn)生的效果。若梯度場(chǎng)在某一個(gè)自旋的位置處強(qiáng)，而在另一個(gè)自旋處近似為0,就可以定向地發(fā)生磁場(chǎng)耦合,消除小空間區(qū)域中納米結(jié)構(gòu)的場(chǎng)互擾，從而實(shí)現(xiàn)純分子羅盤所需的強(qiáng)的各向異性超精細(xì)耦合,能夠顯著提高磁場(chǎng)感應(yīng)靈敏度。因此，在設(shè)計(jì)真實(shí)器件時(shí)，可以通過(guò)在硬鐵磁性納米結(jié)構(gòu)附近施加空間均勻的偏置場(chǎng)，而產(chǎn)生超精細(xì)耦合，代替局部強(qiáng)梯度磁場(chǎng)[17]，實(shí)現(xiàn)使用自由基對(duì)反應(yīng)映射納米磁場(chǎng)。

表1 三種磁敏分子的性能及優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 Performance, advantages and disadvantages of three kinds of magnetic sensitive molecules

基于磁性納米顆粒的這一特性，Cohen等[27]仿照Yoshihisa等合成鏈狀磁感分子的過(guò)程，同樣地合成出了類似的Phen-(CH2)12-O-(CH2)2-DMA磁感分子，并通過(guò)在磁感分子附近設(shè)置鐵磁性納米結(jié)構(gòu)，利用其自由基對(duì)反應(yīng)機(jī)理繪制出了不同形狀的鐵磁納米顆粒周圍的磁場(chǎng)分布。以圓形鐵磁顆粒為主，量化了從結(jié)構(gòu)邊緣擴(kuò)展13μm的熒光角，結(jié)果顯示，在0°和180°時(shí)MFE最大，且最大MFE達(dá)1.7%，在90°和-90°時(shí)MFE最小。

基于此結(jié)果，為了真正地實(shí)現(xiàn)三維輪廓分析，Cohen等[28]引入了一種利用雙光子共焦熒光來(lái)實(shí)現(xiàn)熒光成像的方案。研究發(fā)現(xiàn)，利用雙光子激發(fā)Phen-(CH2)12-O-(CH2)2-DMA同樣能夠保持磁場(chǎng)效應(yīng)，并利用此屬性繪制了三維鐵絲周圍的磁場(chǎng)分布。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本表明，基于電子受體菲和電子供體DMA連接的磁感分子能夠在常溫常壓下表現(xiàn)出良好的磁場(chǎng)效應(yīng)以及對(duì)磁場(chǎng)各向異性的響應(yīng),而通過(guò)改變電子受體或電子供體是否能夠進(jìn)一步增強(qiáng)磁感分子對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)呢？Kattnig等[29]通過(guò)研究鏈狀供體-受體系統(tǒng)的自由基對(duì)動(dòng)力學(xué)發(fā)現(xiàn)，MAnt-(CH2)16-O-(CH2)2-DMA分子在B=75mT時(shí)，MFE達(dá)37.5%。Lee等[30]通過(guò)對(duì)合成出的新型磁感分子Py-(CH2)12-O-(CH2)2-DMA的研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用廣泛使用的355nm的紫外光激發(fā)時(shí)，該分子顯示出比Phen-(CH2)12-O-(CH2)2-DMA分子更明顯的MFE，并且所需的檢測(cè)手段更為簡(jiǎn)便，所得的信噪比(Signal/Noise，S/N)更高(圖8)。同時(shí)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果也能啟發(fā)相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家們探索更多類似的鏈狀磁感分子，以求獲得更高的磁場(chǎng)靈敏度。

圖8 Py-(CH2)12-O-(CH2)2-DMA的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)Fig.8 Chemical molecular structures of Py-(CH2)12-O- (CH2)2-DMA

3 結(jié)論與展望

近年來(lái)，隨著地磁測(cè)量技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的科學(xué)家致力于地磁導(dǎo)航的研究，并取得了豐碩的成果。但基于生物磁感應(yīng)的仿生磁傳感技術(shù)的研究仍未得到重大突破，而是否能夠發(fā)現(xiàn)一種在常溫常壓下既能響應(yīng)地磁大小又能響應(yīng)地磁方向的人工磁感分子模型，是這一技術(shù)能否進(jìn)一步得到跨越的關(guān)鍵。而通過(guò)將目前已合成出的鏈狀分子與牛津大學(xué)等學(xué)者開發(fā)出的寬帶腔增強(qiáng)法相結(jié)合，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)常溫常壓下對(duì)微弱磁場(chǎng)變化的響應(yīng)，但能否將其實(shí)現(xiàn)，還需通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。自由基對(duì)機(jī)制真的就是生物進(jìn)行磁導(dǎo)航的內(nèi)在機(jī)制嗎？這一結(jié)論還需更多的實(shí)驗(yàn)依據(jù)加以證實(shí)?；蛟S，當(dāng)生物磁感應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制得到了全面理解，仿生磁導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展將真正走向成熟。

仿生磁傳感技術(shù)的研究一直是近些年國(guó)內(nèi)外研究的熱門領(lǐng)域，雖然眼前還有許多問(wèn)題等待突破，但相信通過(guò)科學(xué)家們不斷的努力與嘗試，結(jié)合多學(xué)科交叉的技術(shù)，以及發(fā)展設(shè)計(jì)出更優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和模型體系，這些問(wèn)題必將得到解決，將全面推動(dòng)仿生磁傳感技術(shù)發(fā)展并最終走向?qū)嶋H應(yīng)用。