【儀表網 研發快訊】中國科學技術大學自旋磁共振實驗室石發展、孔飛等人開發了基于金剛石量子傳感的并行加速電子順磁共振(ElectronParamagneticResonance, EPR)譜學方法，實現了自由基光化學反應動態過程的實時監測。這項成果最近以“Parallel Accelerated Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy Using Diamond Sensors”為題，發表在《物理評論快報》上。
金剛石氮-空位(NV)色心具有納米尺度的單自旋EPR探測能力，但單自旋檢測通常耗時較長而難以觀測EPR譜的動態變化過程。為解決上述問題，研究團隊在前期所發展的零場磁共振技術[Nat.Commun.9，1563(2018),Sci.Adv.6，eaaz8244(2020)]和原位磁共振技術[Nat.Commun.14，6278(2023)]的基礎上，開發了對目標待測自旋分子朝向、NV色心朝向、操控場均勻性以及目標自旋弛豫時間(即T1時間)均具有高容忍度的磁共振檢測技術，從而可以利用金剛石表面大量NV色心和待測自旋實現高效并行地檢測(如圖1所示)。該技術方法中，零場技術用于消除目標自旋的取向依賴性譜線展寬，原位技術通過幅度調制微波序列同步調控大規模NV系綜的響應頻率，交叉弛豫式探測技術用于提升并行測量靈敏度。當前用17微米尺度范圍內NV色心實現對納米厚度自由基信號的檢測，可以達到0.1秒的探測時間精度，該方法后續可以利用更大的如毫米尺度NV系綜體系進一步提升探測效率。
圖1：并行加速探測方案。(a)金剛石NV色心探測電子自旋示意圖。(b)交叉弛豫探測原理示意圖。(c)基于交叉弛豫的EPR譜學探測原理示意圖。
基于上述方法，研究人員展示了生物化學領域常用的自旋標簽氮氧自由基的零場超精細譜。受益于并行探測方法的高效性，譜線的時間變化信息能夠被提取出來，實時觀察到自由基EPR譜的動態變化過程，包括信號峰面積逐漸減小、信號峰寬逐漸變窄(如圖2所示)。對該現象的進一步研究發現，EPR信號衰減速率所照射的光功率密度基本呈線性依賴關系，證明了這一動態變化由光化學反應引起。
圖2：氮氧自由基EPR譜動態變化。(a)譜線實時監測結果。(b)光淬滅過程示意圖。(c)信號峰面積的時間依賴曲線。(d)信號峰寬的時間依賴曲線
該成果為在納米尺度層厚的二維界面上高速并行探測電子自旋提供了新的譜學技術手段，有助于探測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反應提供實時譜學信息，指導相關自旋標簽探針的光淬滅機制的研究，有助于單分子實驗自旋標簽的前期篩選與優化。
博士生黃哲華與趙正澤為論文共同第一作者，孔飛研究員與石發展教授為通訊作者。此項研究受到國家自然科學基金委、中國科學院、科技部、新基石科學基金會等資助。
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