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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)計極化和熱極化與檢測量的關(guān)系。室溫水質(zhì)子密度為ρ= 6.7×1028 m-3。（B）預(yù)極化概念。通過使分析物流過永磁體（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（B0 = 13 mT，亥姆霍茲線圈）中的微流控芯片中，并通過NV NMR對其進行檢測。（C）檢測設(shè)置。預(yù)極化的分析物流到微流體芯片，在這里它通過流體開關(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NV NMR信號。一組八個梯度補償線圈用于消除沿磁場方向的一階和二階磁場梯度。使用基于線圈的NMR磁力計和纏繞在主亥姆霍茲線圈上的低電感反饋線圈，可以暫時穩(wěn)定磁場。（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區(qū)域，一條流體由水組成（用于NMR線圈磁力計），另一條流體與分析物組成（用于NV NMR）。放置在NMR線圈磁力計和NV NMR傳感器之間的射頻（RF）激勵回路可激發(fā)兩個通道中的核自旋相干。NMR線圈磁力計由3毫米直徑的線圈組成，該線圈纏繞在約10微升的水量中。將射頻激勵回路和NMR線圈磁力計彼此正交放置，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NV電子自旋進行自旋控制。（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，并檢測到熒光（650至800 nm）。有效的分析物檢測量約為40 pL。圖片來源：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，并檢測到熒光（650至800 nm）。有效的分析物檢測量約為40 pL。圖片來源：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，并檢測到熒光（650至800 nm）。有效的分析物檢測量約為40 pL。圖片來源：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的檢測體積和基于非電感的樣品檢測要求，因此是核磁共振波譜的一種有前途的檢測模式。存在的挑戰(zhàn)是充分實現(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�，F(xiàn)在在有關(guān)科學(xué)進步的新報告中Janis Smits和美國和拉脫維亞高科技材料，物理與天文學(xué)系的跨學(xué)科研究團隊通過在微流控平臺上空間分隔實驗的極化和檢測階段，解決了這一挑戰(zhàn)。
他們實現(xiàn)了0.65±0.05 Hz的光譜分辨率，與以前的Diamond NMR研究相比，幅度提高了一個數(shù)量級。他們使用該平臺對液體分析物進行了二維相關(guān)光譜分析，有效檢測量約為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檢測器，這是在質(zhì)量有限的化學(xué)分析和單細胞生物學(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)和功能分析的強大而完善的技術(shù)。在常規(guī)的NMR光譜中，信噪比（SNR）強烈取決于外部場強（B 0）。隨著光譜分辨率的提高，B 0也隨之增加，從而推動了越來越大和昂貴的超導(dǎo)磁體的發(fā)展，以提高分辨率和SNR，從而在過去25年中使磁場強度提高了兩倍。
但是，即使B 0值較大，要檢測微量體積，通常也需要同位素標(biāo)記，濃縮樣品和較長的實驗時間。為了提高對小樣本量的靈敏度，研究人員開發(fā)了微型感應(yīng)線圈，該線圈允許一些進步，包括卵細胞的光譜學(xué)和體外診斷。對于單個哺乳動物細胞的代謝分析或納入在線微流分析中，現(xiàn)有的靈敏度和檢測極限仍不是最佳選擇。作為一種替代的NMR檢測策略，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)的檢測而出現(xiàn)。
核交流磁場投影幅度（在傳感器體積上積分）作為水量的函數(shù)。有效檢測體積（約40 pL）定義為核交流場投影幅度等于總有效樣品體積的一半的體積。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw7895
科學(xué)家先前實施了該方法來檢測核磁化的早期納米級波動，以增強極化。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）時發(fā)生大化學(xué)位移的分辨率。盡管可以通過增加檢測體積（V）來進一步提高分辨率，但它們卻以SNR為代價。在目前的工作中，Smits等人。報告了光譜分辨率的數(shù)量級改進，以實現(xiàn)?27 M s 1/2的濃度靈敏度。為此，他們在微流體裝置中將實驗的極化和檢測階段在空間上分開。
該研究小組使用強大的永磁體（1.5特斯拉）產(chǎn)生核自旋極化，并使用Helmholtz線圈在13 mT處進行了檢測，以簡化將NMR線寬穩(wěn)定在亞赫茲水平的任務(wù)。他們促進了將金剛石量子傳感器用作低微波頻率的在線微流體NMR檢測器。改進允許Smits等人。在有效檢測量約40 pL（皮升）內(nèi)對液體分析物進行二維（2-D）相關(guān)光譜（COSY）。研究人員打算將該平臺與使用外部偏振劑的動態(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)，可在單細胞空間分辨率下以生理濃度進行代謝物的NMR光譜分析。
在實驗設(shè)置中，Smits等人。將流體分析物以高達50 μl / s的可變流速裝在氦氣加壓的容器中。分析物的停留時間約為6s，比所研究分析物的自旋弛豫時間更長（例如，水≈3s的T 1），導(dǎo)致平衡極化約為5x10 -6。然后，分析物流入檢測區(qū)域，以通過NV NMR進行鑒定。為了進行NV NMR檢測，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，在四個可能的NV軸上與設(shè)置中的磁場對齊。
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，這些脈沖對由處理核產(chǎn)生的交流磁場進行連續(xù)的相位測量。測得的熒光反映了核交流場投影的混疊形式。每2.5到4.25 s（流動1.25 s，其余用于檢測）重復(fù)整個序列。（B）水（紅色）和施加的2.5nT振幅測試場（藍色）的NV NMR光譜（傅里葉變換的絕對值），有效采集時間為5.2 s（平均60條跡線;總測量時間為150 s） ）。從處理后的光電探測器信號獲得的NMR信號幅度以μV記錄。磁場幅度的轉(zhuǎn)換（以nT為單位）是從校準(zhǔn)的測試場得出的。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濃度為27 M s1 / 2（SNR = 3）。加上所有的實驗死區(qū)時間，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。通過平均60條跡線（每條3 s長）獲得數(shù)據(jù)。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw7895 65±0.05赫茲。通過平均60條跡線（每條3 s長）獲得數(shù)據(jù)。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw7895 65±0.05赫茲。通過平均60條跡線（每條3 s長）獲得數(shù)據(jù)。圖片來源：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銅芯片以傳送微波�？茖W(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。他們設(shè)計了微流體端口，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35 μm厚的金剛石膜激發(fā)NV中心。
研究團隊隨后將一系列XY8-5微波脈沖序列應(yīng)用于NV中心，以檢測核交流場。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)整了梯度補償線圈，并通過獲得各種流體分析物的質(zhì)子NMR光譜來證明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，他們使用該平臺進行了二維COZY NMR光譜分析。為此，Smits等人。進行了2-D COZY分析的兩個變體以探測DFB（1,4-二氟苯）中的核相互作用，并使用SPINACH軟件包進行了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）的時域（左）和頻域（右）NV NMR信號。信號在約103條跡線上取平均，總采集時間約1小時。在時域數(shù)據(jù)上使用?1 kHz帶寬的帶通濾波器，以實現(xiàn)更好的可視化。頻域頻譜顯示了傅里葉變換的虛部。每個光譜都適合高斯函數(shù)（黑線）。對于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，以促進具有單細胞分辨率的細胞培養(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間。研究人員建議使用更高的磁場與現(xiàn)有方法相比，具有更長，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。從長遠來看，他們希望通過非侵入性光學(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的實驗NV NMR光譜。（D）在（E）模擬和（F）實驗中，修飾的異核COZY序列均顯示非對角峰。色標(biāo)對應(yīng)于2D傅立葉變換的歸一化絕對值。垂直軸（f1-fref）對應(yīng)于t1維度的頻率，而水平軸（f2-fref）對應(yīng)于t2維度的頻率。在（C）中，使用了t1的14個值，以0.021-s的增量遞增，直到0.294 s�？偛杉瘯r間為22小時。在（F）中，使用了t1的16個值，以0.021-s的增量遞增，直到0.336 s。總采集時間為25小時。在這兩種情況下，t2采集的時間從0到1.25 s。所有模擬都是使用SPINACH軟件包執(zhí)行的。模擬和實驗數(shù)據(jù)使用相同的窗口功能。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw7895。
使用13 mT的低外部場強（B 0）是該研究的另一個局限性，因為它限制了由于化學(xué)位移而解決光譜分裂的能力。該小組旨在使用當(dāng)前的檢測方案，通過將B 0增加至?0.25 T來提高化學(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設(shè)備。因此，未來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)中進行檢測。
通過這種方式，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，將極化和檢測步驟分開可以使光譜分辨率提高一個數(shù)量級。科學(xué)家通過對流體分析物進行2-D NMR驗證了該平臺，并提出了其在多學(xué)科研究領(lǐng)域中的未來應(yīng)用。
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