纳米金刚石量子传感技术实现原位溶液磁共振谱测量

创芯人 20231025



记者10月20日从中国科学技术大学获悉，该校中国科学院微观磁共振重点实验室主任杜江峰、研究人员石发展、研究人员孔飞等利用单个纳米金刚石内部的氮-空位色心（NV）进行量子传感，克服颗粒随机转动问题，在原位条件下探测到了溶液中顺磁离子的磁共振谱。研究论文日前发表在《自然-通讯》上。


研究人员在原位条件下，用长链分子将纳米金刚石“拴”在基底上，限制其平动范围，但保留其转动自由度。这种纳米金刚石可以深入目标内部进行探测。实验中选定被测目标为氧钒离子溶液。当纳米金刚石存在转动时，难以对NV色心进行精确的量子操控，但应用幅度调制微序列，依然能够测得氧钒离子的零场顺磁共振谱。这一结果从原理上证明了用纳米金刚石中的NV色心实现细胞内生理原位磁共振探测是可行的。


研究人员表示，这项研究成果今后有可能用于推断氧钒离子所处的局域环境。未来通过改善微波辐射结构效率、提升纳米金刚石性质等方法，将能进一步提升测量速度，将这一方法推向实际应用。


图1：幅度调制序列及其原理
上图为幅度调制序列示意图，下图为共振条件示意图。


图2：实验设置及测量结果

上图为纳米金刚石模拟生理原位条件时，实际进行的实验示意图。下图中，圆点为运动的单个纳米金刚石探测到的氧钒离子顺磁共振谱，红线是对实验数据进行拟合的结果，蓝线为理论模拟结果。


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