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- 帶有微流體金剛石量子傳感器的二維（2-D）核磁共振（NMR）光譜
- 來(lái)源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2020/10/29
微流體預(yù)極化NMR設(shè)置。（A）比較水中質(zhì)子的統(tǒng)計(jì)極化和熱極化與檢測(cè)量的關(guān)系。室溫水質(zhì)子密度為ρ= 6.7×1028 m-3。（B）預(yù)極化概念。通過(guò)使分析物流過(guò)永磁體（1.5-T Halbach陣列）使電極預(yù)極化。隨后將其穿梭到容納在穩(wěn)定的較低磁場(chǎng)（B0 = 13 mT，亥姆霍茲線圈）中的微流控芯片中，并通過(guò)NV NMR對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。（C）檢測(cè)設(shè)置。預(yù)極化的分析物流到微流體芯片，在這里它通過(guò)流體開(kāi)關(guān)（未顯示）停止，并使用定制的落射熒光顯微鏡（數(shù)值孔徑（NA）約為0.8）檢測(cè)NV NMR信號(hào)。一組八個(gè)梯度補(bǔ)償線圈用于消除沿磁場(chǎng)方向的一階和二階磁場(chǎng)梯度。使用基于線圈的NMR磁力計(jì)和纏繞在主亥姆霍茲線圈上的低電感反饋線圈，可以暫時(shí)穩(wěn)定磁場(chǎng)。（D）微流體芯片設(shè)置。該芯片是使用玻璃和粘合劑構(gòu)建的。兩條流體管線通向檢測(cè)區(qū)域，一條流體由水組成（用于NMR線圈磁力計(jì)），另一條流體與分析物組成（用于NV NMR）。放置在NMR線圈磁力計(jì)和NV NMR傳感器之間的射頻（RF）激勵(lì)回路可激發(fā)兩個(gè)通道中的核自旋相干。NMR線圈磁力計(jì)由3毫米直徑的線圈組成，該線圈纏繞在約10微升的水量中。將射頻激勵(lì)回路和NMR線圈磁力計(jì)彼此正交放置，以最大程度地減少串?dāng)_。印刷在玻璃芯片內(nèi)部的銅微波（MW）線可對(duì)NV電子自旋進(jìn)行自旋控制。（E）NV NMR幾何形狀。NV摻雜的金剛石膜（1毫米乘1毫米乘0.035毫米）位于與分析物接觸的微流體通道（寬度：2毫米，高度：0.2毫米至1毫米）的表面上。激光照射（532 nm）從印刷的微波線上反射，并檢測(cè)到熒光（650至800 nm）。有效的分析物檢測(cè)量約為40 pL。圖片來(lái)源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw7895 NV摻雜的金剛石膜（1毫米乘1毫米乘0.035毫米）位于與分析物接觸的微流體通道（寬度：2毫米，高度：0.2毫米至1毫米）的表面上。激光照射（532 nm）從印刷的微波線上反射，并檢測(cè)到熒光（650至800 nm）。有效的分析物檢測(cè)量約為40 pL。圖片來(lái)源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw7895 NV摻雜的金剛石膜（1毫米乘1毫米乘0.035毫米）位于與分析物接觸的微流體通道（寬度：2毫米，高度：0.2毫米至1毫米）的表面上。激光照射（532 nm）從印刷的微波線上反射，并檢測(cè)到熒光（650至800 nm）。有效的分析物檢測(cè)量約為40 pL。圖片來(lái)源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw7895
基于金剛石中氮空位（NV）中心的量子傳感器由于其微米級(jí)的檢測(cè)體積和基于非電感的樣品檢測(cè)要求，因此是核磁共振波譜的一種有前途的檢測(cè)模式。存在的挑戰(zhàn)是充分實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率和濃度靈敏度，以用于皮克樣本量的多維NMR分析。現(xiàn)在在有關(guān)科學(xué)進(jìn)步的新報(bào)告中Janis Smits和美國(guó)和拉脫維亞高科技材料，物理與天文學(xué)系的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在微流控平臺(tái)上空間分隔實(shí)驗(yàn)的極化和檢測(cè)階段，解決了這一挑戰(zhàn)。
他們實(shí)現(xiàn)了0.65±0.05 Hz的光譜分辨率，與以前的Diamond NMR研究相比，幅度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。他們使用該平臺(tái)對(duì)液體分析物進(jìn)行了二維相關(guān)光譜分析，有效檢測(cè)量約為40皮升。該研究小組將金剛石量子傳感器用作在線微流體NMR檢測(cè)器，這是在質(zhì)量有限的化學(xué)分析和單細(xì)胞生物學(xué)中應(yīng)用的重要一步。
核磁共振（NMR）光譜技術(shù)是用于各種科學(xué)學(xué)科中的成分，結(jié)構(gòu)和功能分析的強(qiáng)大而完善的技術(shù)。在常規(guī)的NMR光譜中，信噪比（SNR）強(qiáng)烈取決于外部場(chǎng)強(qiáng)（B 0）。隨著光譜分辨率的提高，B 0也隨之增加，從而推動(dòng)了越來(lái)越大和昂貴的超導(dǎo)磁體的發(fā)展，以提高分辨率和SNR，從而在過(guò)去25年中使磁場(chǎng)強(qiáng)度提高了兩倍。
但是，即使B 0值較大，要檢測(cè)微量體積，通常也需要同位素標(biāo)記，濃縮樣品和較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。為了提高對(duì)小樣本量的靈敏度，研究人員開(kāi)發(fā)了微型感應(yīng)線圈，該線圈允許一些進(jìn)步，包括卵細(xì)胞的光譜學(xué)和體外診斷。對(duì)于單個(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的代謝分析或納入在線微流分析中，現(xiàn)有的靈敏度和檢測(cè)極限仍不是最佳選擇。作為一種替代的NMR檢測(cè)策略，基于亞空位（NV）中心金剛石的量子傳感器因其亞微米的空間分辨率和基于非感應(yīng)的檢測(cè)而出現(xiàn)。
核交流磁場(chǎng)投影幅度（在傳感器體積上積分）作為水量的函數(shù)。有效檢測(cè)體積（約40 pL）定義為核交流場(chǎng)投影幅度等于總有效樣品體積的一半的體積。圖片來(lái)源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw7895
科學(xué)家先前實(shí)施了該方法來(lái)檢測(cè)核磁化的早期納米級(jí)波動(dòng)，以增強(qiáng)極化。他們使用粘性溶劑將頻率分辨率提高至?100 Hz，以獲得在B 0 = 3 T（Tesla）時(shí)發(fā)生大化學(xué)位移的分辨率。盡管可以通過(guò)增加檢測(cè)體積（V）來(lái)進(jìn)一步提高分辨率，但它們卻以SNR為代價(jià)。在目前的工作中，Smits等人。報(bào)告了光譜分辨率的數(shù)量級(jí)改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)?27 M s 1/2的濃度靈敏度。為此，他們?cè)谖⒘黧w裝置中將實(shí)驗(yàn)的極化和檢測(cè)階段在空間上分開(kāi)。
該研究小組使用強(qiáng)大的永磁體（1.5特斯拉）產(chǎn)生核自旋極化，并使用Helmholtz線圈在13 mT處進(jìn)行了檢測(cè)，以簡(jiǎn)化將NMR線寬穩(wěn)定在亞赫茲水平的任務(wù)。他們促進(jìn)了將金剛石量子傳感器用作低微波頻率的在線微流體NMR檢測(cè)器。改進(jìn)允許Smits等人。在有效檢測(cè)量約40 pL（皮升）內(nèi)對(duì)液體分析物進(jìn)行二維（2-D）相關(guān)光譜（COSY）。研究人員打算將該平臺(tái)與使用外部偏振劑的動(dòng)態(tài)核極化技術(shù)相結(jié)合以及具有NV中心的潛在光學(xué)超極化技術(shù)，可在單細(xì)胞空間分辨率下以生理濃度進(jìn)行代謝物的NMR光譜分析。
在實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，Smits等人。將流體分析物以高達(dá)50 μl / s的可變流速裝在氦氣加壓的容器中。分析物的停留時(shí)間約為6s，比所研究分析物的自旋弛豫時(shí)間更長(zhǎng)（例如，水≈3s的T 1），導(dǎo)致平衡極化約為5x10 -6。然后，分析物流入檢測(cè)區(qū)域，以通過(guò)NV NMR進(jìn)行鑒定。為了進(jìn)行NV NMR檢測(cè)，科學(xué)家使用了定制的落射熒光顯微鏡和在研究中制作的定向金剛石膜，在四個(gè)可能的NV軸上與設(shè)置中的磁場(chǎng)對(duì)齊。
預(yù)極化的NV NMR的表征。（A）同步讀出脈沖序列。它由一系列XY8-N脈沖組成，這些脈沖對(duì)由處理核產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)的相位測(cè)量。測(cè)得的熒光反映了核交流場(chǎng)投影的混疊形式。每2.5到4.25 s（流動(dòng)1.25 s，其余用于檢測(cè)）重復(fù)整個(gè)序列。（B）水（紅色）和施加的2.5nT振幅測(cè)試場(chǎng)（藍(lán)色）的NV NMR光譜（傅里葉變換的絕對(duì)值），有效采集時(shí)間為5.2 s（平均60條跡線;總測(cè)量時(shí)間為150 s） ）。從處理后的光電探測(cè)器信號(hào)獲得的NMR信號(hào)幅度以μV記錄。磁場(chǎng)幅度的轉(zhuǎn)換（以nT為單位）是從校準(zhǔn)的測(cè)試場(chǎng)得出的。插圖：本底噪聲的SD顯示aBmin = 45 pT。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，我們推斷出最低可檢測(cè)濃度為27 M s1 / 2（SNR = 3）。加上所有的實(shí)驗(yàn)死區(qū)時(shí)間，濃度靈敏度約為45 M s1 / 2。（C）水的高分辨率NV NMR光譜（傅里葉變換的虛部）顯示半峰全寬（FWHM）的線寬為0.65±0.05 Hz。通過(guò)平均60條跡線（每條3 s長(zhǎng)）獲得數(shù)據(jù)。圖片來(lái)源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw7895 65±0.05赫茲。通過(guò)平均60條跡線（每條3 s長(zhǎng)）獲得數(shù)據(jù)。圖片來(lái)源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw7895 65±0.05赫茲。通過(guò)平均60條跡線（每條3 s長(zhǎng)）獲得數(shù)據(jù)。圖片來(lái)源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw7895
Smits等。制造了微流體芯片以容納鉆石傳感器，該設(shè)備在載玻片上包含一個(gè)銅芯片以傳送微波。科學(xué)家們還包括了鉆石和反饋NMR線圈之間的射頻（RF）激發(fā)回路，以及包圍鉆石傳感器和接觸分析物的微流體通道。他們?cè)O(shè)計(jì)了微流體端口，以將芯片中的外部分析物管結(jié)合在一起，并使用直徑為20 μm的激光束通過(guò)35 μm厚的金剛石膜激發(fā)NV中心。
研究團(tuán)隊(duì)隨后將一系列XY8-5微波脈沖序列應(yīng)用于NV中心，以檢測(cè)核交流場(chǎng)。他們使用去離子水確定儀器的靈敏度和光譜分辨率極限。為了優(yōu)化光譜分辨率，他們調(diào)整了梯度補(bǔ)償線圈，并通過(guò)獲得各種流體分析物的質(zhì)子NMR光譜來(lái)證明NV NMR光譜儀的功能。
例如，科學(xué)家在研究中獲得了磷酸三甲酯（TMP）和1,4-二氟苯（DFB）化合物的特征NV NMR光譜。在建立了檢測(cè)兩種化合物亞赫茲分辨率和高信噪比（SNR）的NMR光譜的潛力之后，他們使用該平臺(tái)進(jìn)行了二維COZY NMR光譜分析。為此，Smits等人。進(jìn)行了2-D COZY分析的兩個(gè)變體以探測(cè)DFB（1,4-二氟苯）中的核相互作用，并使用SPINACH軟件包進(jìn)行了2-D NMR的所有模擬。
1D NMR。（A）水，（B）磷酸三甲酯（TMP）和（C）1,4-二氟苯（DFB）的時(shí)域（左）和頻域（右）NV NMR信號(hào)。信號(hào)在約103條跡線上取平均，總采集時(shí)間約1小時(shí)。在時(shí)域數(shù)據(jù)上使用?1 kHz帶寬的帶通濾波器，以實(shí)現(xiàn)更好的可視化。頻域頻譜顯示了傅里葉變換的虛部。每個(gè)光譜都適合高斯函數(shù)（黑線）。對(duì)于TMP，我們將兩條線的寬度限制為1：1的振幅比，并得出JHP = 11.04±0.06 Hz。對(duì)于DFB，我們將所有三條線的寬度限制為等于1：2：1的振幅比，并得出JHF = 6.09±0.05 Hz。圖片來(lái)源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw7895。
已證明的亞赫茲分辨率和多維NMR技術(shù)可為在線聯(lián)用分析，單細(xì)胞代謝組學(xué)和質(zhì)量受限的藥效學(xué)領(lǐng)域中金剛石量子傳感器的使用鋪平道路。Smits等。目的在于獲得高空間分辨率和落射熒光格式，以促進(jìn)具有單細(xì)胞分辨率的細(xì)胞培養(yǎng)物的高通量化學(xué)分析和NMR成像。本裝置的局限性包括在從微摩爾到毫摩爾體積的生理濃度下所需的平均時(shí)間。研究人員建議使用更高的磁場(chǎng)與現(xiàn)有方法相比，具有更長(zhǎng)，更敏感的XY8-N微波脈沖序列可提高NMR靈敏度和光子收集效率。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，他們希望通過(guò)非侵入性光學(xué)超極化方法可以最大程度地提高靈敏度。
DFB的2D COZY NMR。（A）同核COZY脈沖序列，（B）模擬光譜，以及（C）DFB的實(shí)驗(yàn)NV NMR光譜。（D）在（E）模擬和（F）實(shí)驗(yàn)中，修飾的異核COZY序列均顯示非對(duì)角峰。色標(biāo)對(duì)應(yīng)于2D傅立葉變換的歸一化絕對(duì)值。垂直軸（f1-fref）對(duì)應(yīng)于t1維度的頻率，而水平軸（f2-fref）對(duì)應(yīng)于t2維度的頻率。在（C）中，使用了t1的14個(gè)值，以0.021-s的增量遞增，直到0.294 s。總采集時(shí)間為22小時(shí)。在（F）中，使用了t1的16個(gè)值，以0.021-s的增量遞增，直到0.336 s�？偛杉瘯r(shí)間為25小時(shí)。在這兩種情況下，t2采集的時(shí)間從0到1.25 s。所有模擬都是使用SPINACH軟件包執(zhí)行的。模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用相同的窗口功能。圖片來(lái)源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw7895。
使用13 mT的低外部場(chǎng)強(qiáng)（B 0）是該研究的另一個(gè)局限性，因?yàn)樗拗屏擞捎诨瘜W(xué)位移而解決光譜分裂的能力。該小組旨在使用當(dāng)前的檢測(cè)方案，通過(guò)將B 0增加至?0.25 T來(lái)提高化學(xué)位移的分辨率。此外，盡管NMR微流體傳感器的有效檢測(cè)體積約為40 pL，但科學(xué)家需要幾毫升的分析物才能填充整個(gè)設(shè)備。因此，未來(lái)的微流控芯片可以小型化或省略預(yù)極化步驟，或者使用較小的微流控通道在較大的流體系統(tǒng)中進(jìn)行檢測(cè)。
通過(guò)這種方式，Janis Smits及其同事演示了將金剛石量子傳感器用于微流體NMR應(yīng)用。他們表明，與現(xiàn)有的鉆石NMR研究相比，將極化和檢測(cè)步驟分開(kāi)可以使光譜分辨率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)�？茖W(xué)家通過(guò)對(duì)流體分析物進(jìn)行2-D NMR驗(yàn)證了該平臺(tái)，并提出了其在多學(xué)科研究領(lǐng)域中的未來(lái)應(yīng)用。
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