马里兰大学 实验示意图
钻石传感器芯片附近的微波环形天线驱动NV(紫色)和TEMPOL(蓝色)电子自旋
来自样品核自旋(橙色)的超极化核磁共振信号通过从钻石芯片读出的NV系综荧光来检测
照片:张秀坤乙
布赫尔
核磁共振波谱是一种广泛用于化学分析和分子结构识别的工具
因为核磁共振通常依赖于由小的热核自旋极化产生的弱磁场，所以与其他分析技术相比，它的灵敏度很低
传统的核磁共振仪器通常使用大约1毫升的大样本量——大到足以容纳大约一百万个生物细胞
在《物理评论十》(PRX)上发表的一项研究中，马里兰大学量子技术中心(QTC)的研究人员和同事报告了一种新的量子传感技术，该技术允许对10微微升样品体积的稀释溶液中的小分子进行高分辨率核磁共振波谱分析，该样品体积大致相当于一个单细胞
本文所报道的实验题目为“利用金刚石中的量子缺陷实现超极化-增强核磁共振谱的飞秒灵敏度”，由教授的研究小组完成
罗纳德·沃斯沃斯，QTC创始董事
他们的发现是先前结果的下一步，在先前的结果中，沃兹沃斯和合作者开发了一个系统，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
在过去的工作中，研究人员只能观察到来自纯净、高度浓缩样本的信号
为了克服这一限制，沃兹沃斯和他的同事将量子钻石核磁共振与“超极化”方法相结合，将样品的核自旋极化——从而核磁共振信号强度——提高了一百多倍
在PRX报道的结果第一次实现了具有分子灵敏度的核磁共振
关于这项研究的影响，沃兹沃斯说，“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)
“核磁共振成像是一种扫描类型，可以处理身体各部分的详细图像，包括大脑
“目前，核磁共振成像的分辨率有限，只能对包含大约一百万个细胞的体积成像
沃兹沃斯说:“用核磁共振成像无创地观察单个细胞(帮助诊断疾病和回答生物学中的基本问题)是量子传感研究的长期目标之一。”
研究论文，“利用金刚石中的量子缺陷进行超极化增强核磁共振波谱分析”，张秀坤·B
大卫·布赫
格伦，洪坤公园，米哈伊尔D
卢金和罗纳德
沃兹沃斯发表在2020年6月的《物理评论》杂志上
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