新的量子感測技術可實現高解析度核磁共振光譜

2020-11-30 量子認知

核磁共振光譜是用於化學分析和分子結構識別的廣泛使用的工具。由於核磁共振通常依賴於小的熱核自旋極化產生的弱磁場，因此核磁共振與其他分析技術相比，靈敏度較差。常規的核磁共振設備通常使用大約一毫升的大樣本量，足以容納大約一百萬個生物細胞。

在《 物理評論X》上最近發表的一項研究中，馬裡蘭大學量子技術中心的研究團隊報告了一種新的量子傳感技術，該技術可以對10皮升（picoliter）樣品中的稀溶液中的小分子進行高解析度核磁共振光譜分析，即相當於一億分之一毫升的稀溶液中的小分子樣品，大約相當於一個單細胞。

該量子技術中心創始主任、Ronald Walsworth教授的研究小組的實驗論文報告，題為「利用金剛石中的量子缺陷實現了具有超細孔敏感性的超極化增強核磁共振光譜學」。研究人員開發了一種系統，該系統利用鑽石中的氮空位量子缺陷來檢測皮升級樣品產生的核磁共振信號。過去，研究人員只能觀察到來自純淨、高度濃縮樣品的信號。

為克服這一局限性，研究人員將量子金剛石核磁共振與「超極化」方法結合使用，該方法可將樣品的核自旋極化，從而使核磁共振信號強度提高一百倍以上。 該研究結果首次實現了具有飛摩爾分子級敏感性的核磁共振。

如圖所示鑽石傳感器晶片附近的微波環形天線可驅動NV（紫色）和TEMPOL電子自旋（藍色）。來自樣品核自旋（橙色）的超極化核磁共振信號通過鑽石晶片的NV集成螢光讀數進行檢測。

關於這項研究的影響，Walsworth教授說：「現實世界的目標是在單個生物細胞水平上實現化學分析和磁共振成像（MRI）。」 磁共振成像是一種掃描，可以處理包括大腦在內的身體各部位的詳細圖片。

「目前，磁共振成像的解析度受到限制，並且它只能對包含約一百萬個細胞的體積成像。使用磁共振成像無創地觀察單個細胞，以幫助診斷疾病並回答生物學方面的基本問題，是磁共振成像量子感應研究的長期目標之一。」

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

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