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新的量子感测技术可实现高分辨率核磁共振光谱

核磁共振光谱是用于化学分析和分子结构识别的广泛使用的工具。由于核磁共振通常依赖于小的热核自旋极化产生的弱磁场,因此核磁共振与其他分析技术相比,灵敏度较差。常规的核磁共振设备通常使用大约一毫升的大样本量,足以容纳大约一百万个生物细胞。

在《 物理评论X》上最近发表的一项研究中,马里兰大学量子技术中心的研究团队报告了一种新的量子传感技术,该技术可以对10皮升(picoliter)样品中的稀溶液中的小分子进行高分辨率核磁共振光谱分析,即相当于一亿分之一毫升的稀溶液中的小分子样品,大约相当于一个单细胞。

该量子技术中心创始主任、Ronald Walsworth教授的研究小组的实验论文报告,题为“利用金刚石中的量子缺陷实现了具有超细孔敏感性的超极化增强核磁共振光谱学”。研究人员开发了一种系统,该系统利用钻石中的氮空位量子缺陷来检测皮升级样品产生的核磁共振信号。过去,研究人员只能观察到来自纯净、高度浓缩样品的信号。

为克服这一局限性,研究人员将量子金刚石核磁共振与“超极化”方法结合使用,该方法可将样品的核自旋极化,从而使核磁共振信号强度提高一百倍以上。 该研究结果首次实现了具有飞摩尔分子级敏感性的核磁共振。

如图所示钻石传感器芯片附近的微波环形天线可驱动NV(紫色)和TEMPOL电子自旋(蓝色)。来自样品核自旋(橙色)的超极化核磁共振信号通过钻石芯片的NV集成荧光读数进行检测。

关于这项研究的影响,Walsworth教授说:“现实世界的目标是在单个生物细胞水平上实现化学分析和磁共振成像(MRI)。” 磁共振成像是一种扫描,可以处理包括大脑在内的身体各部位的详细图片。

“目前,磁共振成像的分辨率受到限制,并且它只能对包含约一百万个细胞的体积成像。使用磁共振成像无创地观察单个细胞,以帮助诊断疾病并回答生物学方面的基本问题,是磁共振成像量子感应研究的长期目标之一。”

参考:Hyperpolarization-Enhanced NMR Spectroscopy with Femtomole Sensitivity Using Quantum Defects in Diamond, Physical Review X (2020).

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