【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實(shí)驗(yàn)室石發(fā)展、孔飛等人開(kāi)發(fā)了基于金剛石量子傳感的并行加速電子順磁共振(ElectronParamagneticResonance, EPR)譜學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)了自由基光化學(xué)反應(yīng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這項(xiàng)成果最近以“Parallel Accelerated Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy Using Diamond Sensors”為題，發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。
 

　　金剛石氮-空位(NV)色心具有納米尺度的單自旋EPR探測(cè)能力，但單自旋檢測(cè)通常耗時(shí)較長(zhǎng)而難以觀(guān)測(cè)EPR譜的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。為解決上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)在前期所發(fā)展的零場(chǎng)磁共振技術(shù)[Nat.Commun.9，1563(2018),Sci.Adv.6，eaaz8244(2020)]和原位磁共振技術(shù)[Nat.Commun.14，6278(2023)]的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了對(duì)目標(biāo)待測(cè)自旋分子朝向、NV色心朝向、操控場(chǎng)均勻性以及目標(biāo)自旋弛豫時(shí)間(即T1時(shí)間)均具有高容忍度的磁共振檢測(cè)技術(shù)，從而可以利用金剛石表面大量NV色心和待測(cè)自旋實(shí)現(xiàn)高效并行地檢測(cè)(如圖1所示)。該技術(shù)方法中，零場(chǎng)技術(shù)用于消除目標(biāo)自旋的取向依賴(lài)性譜線(xiàn)展寬，原位技術(shù)通過(guò)幅度調(diào)制微波序列同步調(diào)控大規(guī)模NV系綜的響應(yīng)頻率，交叉弛豫式探測(cè)技術(shù)用于提升并行測(cè)量靈敏度。當(dāng)前用17微米尺度范圍內(nèi)NV色心實(shí)現(xiàn)對(duì)納米厚度自由基信號(hào)的檢測(cè)，可以達(dá)到0.1秒的探測(cè)時(shí)間精度，該方法后續(xù)可以利用更大的如毫米尺度NV系綜體系進(jìn)一步提升探測(cè)效率。
 

　　圖1：并行加速探測(cè)方案。(a)金剛石NV色心探測(cè)電子自旋示意圖。(b)交叉弛豫探測(cè)原理示意圖。(c)基于交叉弛豫的EPR譜學(xué)探測(cè)原理示意圖。

 

　　基于上述方法，研究人員展示了生物化學(xué)領(lǐng)域常用的自旋標(biāo)簽氮氧自由基的零場(chǎng)超精細(xì)譜。受益于并行探測(cè)方法的高效性，譜線(xiàn)的時(shí)間變化信息能夠被提取出來(lái)，實(shí)時(shí)觀(guān)察到自由基EPR譜的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，包括信號(hào)峰面積逐漸減小、信號(hào)峰寬逐漸變窄(如圖2所示)。對(duì)該現(xiàn)象的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，EPR信號(hào)衰減速率所照射的光功率密度基本呈線(xiàn)性依賴(lài)關(guān)系，證明了這一動(dòng)態(tài)變化由光化學(xué)反應(yīng)引起。
 

　　圖2：氮氧自由基EPR譜動(dòng)態(tài)變化。(a)譜線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果。(b)光淬滅過(guò)程示意圖。(c)信號(hào)峰面積的時(shí)間依賴(lài)曲線(xiàn)。(d)信號(hào)峰寬的時(shí)間依賴(lài)曲線(xiàn)

 

　　該成果為在納米尺度層厚的二維界面上高速并行探測(cè)電子自旋提供了新的譜學(xué)技術(shù)手段，有助于探測(cè)二維材料中的低豐度順磁自旋，有助于為研究界面上有自由基參與的生物化學(xué)反應(yīng)提供實(shí)時(shí)譜學(xué)信息，指導(dǎo)相關(guān)自旋標(biāo)簽探針的光淬滅機(jī)制的研究，有助于單分子實(shí)驗(yàn)自旋標(biāo)簽的前期篩選與優(yōu)化。
 

　　博士生黃哲華與趙正澤為論文共同第一作者，孔飛研究員與石發(fā)展教授為通訊作者。此項(xiàng)研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、科技部、新基石科學(xué)基金會(huì)等資助。