CN114689637A - 基于纳米金刚石探针顺磁共振的分子信息检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米金刚石探针顺磁共振的分子信息检测方法及系统，方法包括：将待测样品固定于精密位移装置，待测样品包括含有待测分子和纳米探针的载玻片，纳米探针包括氮空位色心的纳米金刚石探针；利用共聚焦显微装置激发纳米探针的电子状态；利用精密位移装置上的辐射组件将微波系统发出的预设幅度调制信号辐射到纳米探针处，使得纳米探针与待测分子发生共振以产生荧光信号；通过共聚焦显微装置收集荧光信号；利用荧光信号处理系统处理荧光信号，得到待测分子的分子信息。本发明通过对纳米探针施加了幅度调制微波，使纳米探针与目标自旋的共振条件不再依赖角度，避免了探针运动导致的谱线展宽和畸变问题。

Description

基于纳米金刚石探针顺磁共振的分子信息检测方法及系统

技术领域

本发明涉及磁共振测量技术领域，具体涉及一种基于纳米金刚石探针顺磁共振的分子信息检测方法及系统。

背景技术

光探测磁共振（ODMR）是一种基于光学手段的电子自旋磁共振技术，通过该技术可以对晶体缺陷的电子自旋进行光学泵浦以实现初始化和读出。氮空位（Nitrogen-Vacancy）色心简称NV色心是一种金刚石体内的缺陷结构，具有良好稳定的光学性质。

金刚石NV色心中间的电子自旋可以通过光探测磁共振技术进行操控，通过探测金刚石NV色心荧光强度来获得电子所处的自旋状态，利用电子单自旋体系对磁信号的敏感性，从而获得电子顺磁共振谱，及外界环境的相关属性。

基于金刚石NV色心的光探测磁共振技术已经被广泛应用于弱磁测量、磁成像、量子传感、磁力计等方面。

基于金刚石NV色心的光探测磁共振技术的应用中，电子顺磁共振无疑是一大亮点。电子顺磁共振技术本身经过了长期的发展，较为成熟，且应用范围广泛，只要待测样品中存在非成对电子，就可以用电子顺磁共振谱学对其能级结构、分子动力学信息进行分析。

若要基于金刚石NV色心探针实现生理原位的微观电子顺磁共振测量，那么作为探针载体的金刚石就必须足够小，即纳米金刚石。但纳米金刚石在细胞内的生理条件下可能发生转动，其中的NV色心的量子化轴也将变化，这导致现有的电子顺磁共振手段难以对其进行操控。其次，纳米金刚石中纳米探针的相干时间较短，这限制了纳米金刚石中纳米探针的测磁灵敏度，导致难以实际应用在电子顺磁共振测量中。

发明内容

基于此，本发明提出了一种基于纳米金刚石中氮空位色心的电子顺磁共振测量方法及系统，使氮空位色心探针与目标自旋的共振条件不再依赖角度，避免了运动导致的谱线展宽和畸变问题。同时将相干检测转变成弛豫检测，在一定程度上解决了纳米金刚石中氮空位色心探针的相干性质对其在电子顺磁共振探测中应用的限制。

根据本发明的一方面，提供了一种基于纳米金刚石探针顺磁共振的分子信息检测方法，包括：

将待测样品固定于精密位移装置，上述待测样品包括含有待测分子和纳米探针的载玻片，上述纳米探针包括氮空位色心的纳米金刚石探针；

利用共聚焦显微装置激发上述纳米探针的电子状态；

利用上述精密位移装置上的辐射组件将微波系统发出的预设幅度调制信号辐射到上述纳米探针处，使得上述纳米探针与上述待测分子发生共振以产生荧光信号；

通过上述共聚焦显微装置收集上述荧光信号；

利用荧光信号处理系统处理上述荧光信号，得到上述待测分子的分子信息。

根据本发明的实施例，上述利用共聚焦显微装置激发上述纳米探针的电子状态包括：

利用上述共聚焦显微装置发射激光激发上述纳米探针的上述氮空位色心的电子状态，使上述纳米探针在基态与激发态之间跃迁。

根据本发明的实施例，上述利用上述精密位移装置上的辐射组件将微波系统发出的预设幅度调制信号辐射到上述纳米探针处，使得上述纳米探针与上述待测分子发生共振产生荧光信号，包括：

利用上述微波系统对上述待测样品施加操控微波，形成与上述纳米探针的上述氮空位色心的共振的上述操控微波场；

在上述操控微波场的幅度上施加预设周期的调制信号，以便上述纳米探针的能级形成以上述预设周期为间隔的离散化能级边带；

通过改变调制信号频率，操控上述离散化能级边带，使上述纳米探针能级与上述待测分子的自旋能级匹配，发生共振，以产生上述荧光信号。

根据本发明的实施例，通过上述利用荧光信号处理系统处理上述荧光信号，得到上述待测分子的分子信息包括：

利用荧光信号处理系统将多个上述荧光信号进行累加，得到电子顺磁共振谱；

通过分析上述电子顺磁共振谱，得到上述待测分子的分子信息。

根据本发明的实施例，上述分子信息包括分子能级信息和分子种类信息，上述通过分析上述电子顺磁共振谱，得到上述待测分子的分子信息，包括：

根据上述电子顺磁共振谱的谱线特征确定的上述待测分子的分子能级信息和上述待测分子的分子种类信息。

根据本发明的实施例，上述分子信息包括分子运动信息，上述利用荧光信号处理系统处理上述荧光信号，得到上述待测分子的分子信息，包括：

利用上述荧光信号处理系统扫描上述荧光信号，获取上述待测分子在生理原位条件的谱线增宽信息；

根据上述谱线增宽信息，确定上述待测分子的分子运动信息。

根据本发明的实施例，上述预设幅度调制信号包括按照幅度调制测量序列施加的预设周期的调制微波场形成的微波信号。

根据本发明的实施例，上述待测样品的制备方法包括以下任意一种：

将上述待测分子的分散液涂抹在有上述纳米探针的载玻片上，得到上述待测样品；

将上述待测分子的分散液涂抹在键合了长链分子的上述纳米探针的载波片上，得到上述待测样品；

将上述纳米探针分散在上述待测分子的分散液中，涂抹在载玻片上；得到上述待测样品。

根据本发明的另一方面，提供了一种基于纳米金刚石探针顺磁共振的分子信息检测系统，包括：

精密位移装置，包括辐射组件，上述精密位移装置用于固定调节待测样品的位置定位上述待测样品中的纳米探针，并通过上述辐射组件将微波系统发出的预设幅度调制信号辐射到上述纳米探针处，使得上述纳米探针与待测分子发生共振以产生荧光信号；

共聚焦显微装置，用于激发上述纳米探针的电子状态，并收集上述荧光信号；

微波系统，用于发出上述预设幅度调制信号；

荧光信号处理系统，用于处理上述荧光信号，得到上述待测分子的分子信息。

根据本发明的实施例，上述荧光信号处理系统包括荧光信号收集探测组件，用于处理上述荧光信号，得到上述待测分子的分子信息。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的基于纳米金刚石探针顺磁共振的分子信息检测方法及系统具有以下有益效果：

本发明提供的基于纳米金刚石中氮空位色心探针的微观尺度电子顺磁共振检测分子信息的方法，通过在零外磁场下对目前实际应用中可能会发生移动或转动的纳米金刚石施加了幅度调制微波，使具有氮空位色心的金刚石纳米探针与目标自旋的共振条件不再依赖角度，避免了运动导致的谱线展宽和畸变问题。同时将相干检测转变成弛豫检测，部分地解决了纳米探针的相干性质对其在电子顺磁共振探测中应用的限制。

本发明提供的基于纳米探针顺磁共振的分子信息检测方法为具有氮空位色心的金刚石纳米探针进入活细胞，在生理原位条件下进行微观尺度电子顺磁共振探测，获取原位生化反应或分子运动信息提供了一种可能的解决方案。

附图说明

图1为本发明实施例基于纳米金刚石探针顺磁共振的分子信息检测的流程图；

图2为本发明实施例基于纳米金刚石探针顺磁共振的分子信息检测系统的结构示意图；

图3为本发明实施例待测样品放置示意图；

图4为本发明实施例预设幅度调制信号的幅度调制序列测量时序图；

图5为本发明实施例单个纳米探针的拉比振荡模拟图；

图6为本发明实施例纳米探针检测氧钒离子的电子顺磁共振谱示意图；

图7为本发明实施例生理原位条件下，细胞内部纳米探针的荧光扫描图。

上述附图中，附图标记含义具体如下：

精密位移装置-1；

辐射组件-11；

纳米位移台-12；

共聚焦显微装置-2；

激光源-21；

二向色镜-22；

针孔-23；

物镜-24；

微波系统-3；

微波源-31；

微波放大器-32；

荧光信号处理系统-4；

计算机-41；

荧光信号收集探测组件-42。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

NV色心探针的载体金刚石本身无毒，有着良好的生物兼容性，其探测过程也不要求真空低温等极端条件，这使它在生物分子的微观电子顺磁共振探测上拥有了天然的应用优势。若将微观磁共振谱与活细胞进行结合，就可以实现生理原位的微观磁共振谱学，对得到的谱线进行分析，就有可能得到生理原位条件下，生化反应或分子运动的信息。

而若要将以金刚石为载体的NV色心探针放入细胞内进行生理原位的测量，那么其载体金刚石就必须足够小，即纳米金刚石。但纳米尺度的金刚石本身为微观磁共振探测带来了新的挑战。

首先，在细胞内的生理条件下，纳米金刚石可能发生转动，其方向不固定。而NV色心的量子化轴沿构成它的氮原子与空穴的连线方向，因此量子化轴方向也将变化，量子化轴与电子顺磁共振中的所需的操控微波，或可能存在的静磁场的夹角也会是变化的。这将导致NV色心探针感受到的微波操控强度，或微波操控频率的变化。而现有的电子顺磁共振手段需要高保真度的微波操控，无法在这种操控强度或频率不确定的情况下很好地运用。

其次，受限于尺寸大小，纳米金刚石晶格完整性差，表面噪声强，这限制了纳米金刚石中NV色心探针的相干时间，也就限制了纳米金刚石中NV色心探针的测磁灵敏度，导致其在电子顺磁共振测量方面的应用受限。目前纳米金刚石中的NV色心在与生物领域相结合时，常常仅充当了长寿命的荧光标记，而没有作为电子顺磁共振探针进行使用。

图1为本发明实施例基于纳米金刚石探针顺磁共振的分子信息检测的流程图。

如图1所示，该实施例的基于纳米金刚石探针顺磁共振的分子信息检测方法，包括：

S101:将待测样品固定于精密位移装置，待测样品包括含有待测分子和纳米探针的载玻片，纳米探针包括氮空位色心（NV色心）的纳米金刚石探针；

S102:利用共聚焦显微装置激发纳米探针的电子状态；

S103:利用精密位移装置上的辐射组件将微波系统发出的预设幅度调制信号辐射到纳米探针处，使得纳米探针与待测分子发生共振以产生荧光信号；

S104:通过共聚焦显微装置收集荧光信号；

S105:利用荧光信号处理系统处理荧光信号，得到待测分子的分子信息。

根据本发明的实施例，待测分子可以是任何含有未成对电子的物质，例如自由基、过渡金属离子、某些配合物、三重态的分子等。

根据本发明的实施例，通过在零外磁场下对实际应用条件下可能会发生移动或转动的纳米探针施加了幅度调制微波，使纳米探针与目标自旋的共振条件不再依赖角度，避免了运动导致的谱线展宽和畸变问题。同时将相干检测转变成弛豫检测，部分地解决了具有氮空位色心的金刚石纳米探针的相干性质对其在电子顺磁共振探测中应用的限制。可以实现在纳米探针方向不固定的情况下，进行精密的电子顺磁共振谱测量，通过利用预设幅度调制信号应用于零场电子顺磁共振检测，可以同时抵抗待测分子和纳米探针自身随机取向产生的负面影响。能够在模拟实际应用场景的情况下，利用具有氮空位色心的金刚石纳米探针探测到分散在液体中的目标分子的电子顺磁共振谱。

因此，本发明为纳米金刚石中的纳米探针进入活细胞，在生理原位条件下进行微观尺度电子顺磁共振探测，获取原位生化反应或分子运动信息提供了一种可能的解决方案。

根据本发明的实施例，待测样品的制备方法包括以下任意一种：

将待测分子的分散液涂抹在有纳米探针的载玻片上，得到待测样品；

将待测分子的分散液涂抹在键合了长链分子的纳米探针的载波片上，得到待测样品；

将纳米探针分散在待测分子的分散液中，涂抹在载玻片上；得到待测样品。

由于NV色心探针探测范围有限，因此要求待测样品分子与NV色心探针的间距应小于10nm，另外，为了保证用于调制NV电子状态的微波强度足够，也要求NV色心探针与辐射组件尽量贴近。

由于本方法对NV色心探针的方向及是否运动均无要求，因此作为探针载体的纳米金刚石可以旋涂在载玻片上，也可以以长链分子键合在载玻片上，甚至可以与待测样品一起分散在液体中。样品的具体放置方式可以根据测试需求灵活选择。

根据本发明的实施例，氮空位色心（NV色心）的纳米金刚石探针，可以是由爆炸法，高温高压法，研磨法或化学气相沉积法等方法制备，其具体尺寸大小及表面修饰等均可以根据测试需求灵活选择。

根据本发明的实施例，利用共聚焦显微装置激发纳米探针的电子状态包括：

利用共聚焦显微装置发射激光激发纳米探针的氮空位色心的电子状态，使纳米探针中的NV色心在基态与激发态之间跃迁。

根据本发明的实施例，利用共聚焦显微装置可以发射532nm波长的激光激发NV色心的电子状态，使纳米探针在基态与激发态之间跃迁。

图4为本发明实施例预设幅度调制信号的幅度调制序列测量时序图。

根据本发明的实施例，利用精密位移装置上的辐射组件将微波系统发出的预设幅度调制信号辐射到纳米探针处，使得纳米探针与待测分子发生共振产生荧光信号，包括：

利用微波系统对待测样品施加操控微波，形成与纳米探针的氮空位色心的共振的操控微波场；

在操控微波场的幅度上施加预设周期的调制信号，以便纳米探针的能级形成以预设周期为间隔的离散化能级边带；

通过改变上述调制信号，操控NV色心的离散化能级边带，使纳米探针能级边带与待测分子的自旋能级匹配，发生共振，以产生荧光信号。

根据本发明的实施例，预设幅度调制信号包括按照幅度调制测量序列施加的预设周期的调制微波场形成的微波信号。

将幅度调制的微波操控序列，通过按照幅度调制测量序列为包含氮空位色心的纳米金刚石探针施加微波场，能够使纳米探针在氮空位色心（NV色心）对微波场的响应下发生共振，产生荧光信号，获得电磁顺磁共振谱，进一步得到待测分子的分子信息。

根据本发明的实施例，其具体时序如图4所示，这种序列在静磁场为零的情况下适用，测量中扫描调制频率f以使NV能级与目标自旋能级匹配，发生共振。

根据本发明的实施例，其中操控微波幅度调制的具体形式为：

。其中

为微波场强度，

为调制频率，D为纳米探针的零场分裂，具 体值为D=2.87GHz，t为调制时间。

其具体原理为：考虑外磁场为零时，NV色心及操控微波构成的系统。若施加一般的 操控微波

，即强度为

，频率为D=2.87GHz，与NV色心共振的微波场，那么在 旋转坐标系中进行观察，纳米探针将存在能级劈裂

，其中

为纳米探针的旋磁比，具体 值为

=-2.803MHz/G。而更进一步，如果在操控微波场的幅度上施加调制频率为f的调制， 即幅度调制的微波场

，在旋转坐标系中观察幅度调制微波与纳米 探针构成的系统，纳米探针的能级将会形成以f为间隔的离散化边带。

测试中扫描调制频率f，即驱动纳米探针能级与目标自旋能级匹配，发生共振。其共振条件与角度无关，不依赖纳米探针的方向，也不依赖目标自旋的方向，因此可以解决纳米探针中的NV色心在生理原位条件下进行应用时，纳米探针方向不固定导致无法进行微波操控的问题。

纳米探针方向只影响信号峰强度，而不影响信号峰位置，因此即使在测量过程中纳米探针的方向在发生变化，也可以直接对其荧光信号进行累加，纳米探针的旋转并不会造成电子顺磁共振谱线的额外展宽。此外，使用这种序列时，测量时间受NV色心纵向弛豫时间T1的限制，而非一般测量方式，如双电子自旋共振序列那样受NV色心横向弛豫时间T2的限制。

纵向弛豫时间T1，定义为从极化态驰豫到热平衡态的特征衰减时间。零场劈裂的存在，使得室温下NV色心的|0〉和|±1〉能级可以有2.87 GHz的分裂，而环境热库中的自旋产生的磁噪声一般为低频噪声，对纵向弛豫时间T1的影响很小，所以纵向弛豫时间T1主要受限于自旋-声子相互作用。金刚石中的共价键键能很高，因而室温下的声子激发很弱，NV色心的纵向弛豫时间T1一般较长，对于实施例中所使用的纳米金刚石中的纳米探针，其纵向弛豫时间T1一般在100μs左右。

横向弛豫时间T2，主要由NV和环境热库的自旋－自旋相互作用决定。自然丰度的金刚石内部的核自旋的演化，及表面自旋噪声都可能在NV色心处产生一个低频的涨落磁场，从而造成退相干，对于实施例中所使用的纳米金刚石中的纳米探针，其横向弛豫时间T2一般在5μs左右。利用纳米探针进行磁信号探测时，其积累信号的时间上限由NV色心的相干时间所决定。

纳米金刚石探针体积小，生物兼容性好，可以实现细胞内的原位测量，但相对于块材金刚石，其表面自旋噪声大，且内部杂核自旋多，自旋噪声显著，因此其横向弛豫时间T2极其受限。若要使用传统的自旋回波序列，如双电子自旋共振序列，其信号积累的时间上限，即横向弛豫时间T2短，将限制其信号强度，以至于难以测量到自旋信号。而幅度调制测量序列对NV色心连续驱动，其信号积累的时间上限为纵向弛豫时间T1，对于自旋信号等弱磁信号，可以通过更长的信号积累时间来提高信号强度。纳米金刚石探针本身存在相干性质差这一限制因素，这是由其尺度及制造方法所决定的。

考虑纳米金刚石的一般性质，其纵向弛豫时间T1通常比横向弛豫时间T2长一到两个量级，因此这种序列也可以部分地解决纳米探针相干时间短给电子顺磁共振探测带来的困难。利用幅度调制测量序列，可以改善其测量灵敏度，从而可以操控传统序列无法操控的，在生理原位条件下会发生角度变化的纳米探针，进行电子顺磁共振测量。

根据本发明的实施例，通过利用荧光信号处理系统处理荧光信号，得到待测分子的分子信息包括：

利用荧光信号处理系统将多个荧光信号进行累加，得到电子顺磁共振谱；

通过分析电子顺磁共振谱，得到待测分子的分子信息。

当调制后的纳米探针能级与待测目标自旋匹配时，两者发生共振，这种变化可以体现在纳米探针发出的荧光信号上，通过荧光信号的处理系统被探知。因此，利用微波系统控制纳米探针的调制能级，观察其何时与目标自旋的能级共振，即可得到目标自旋的电子顺磁共振谱。

根据本发明的实施例，分子信息包括分子能级信息和分子种类信息，通过分析电子顺磁共振谱，得到待测分子的分子信息，包括：

根据电子顺磁共振谱的谱线特征确定的待测分子的分子能级信息和待测分子的分子种类信息。

通过对所测得谱线的峰位置、线宽、线型、和强度等波谱参数的分析，可获得样品中未成对电子以及分子结构及周围环境的信息。例如，根据样品的线宽和微波功率的饱和特性的检测，可以了解样品的驰豫性质；待测分子的运动也会导致谱线的线宽等发生变化，因此，若进行横向对比，也可以从谱线中提取出待测分子的运动信息；通过谱线强度的测量，可求得顺磁物质的自旋浓度；经过对谱线的峰位置，即其超精细结构进行分析，可以对待测物质的种类进行判别；由谱线的数目及相对强度，可以判断未成对电子周围核的类型、数量，以及相互作用的强弱等。

根据本发明的实施例，分子信息包括分子运动信息，利用荧光信号处理系统处理荧光信号，得到待测分子的分子信息，包括：

利用荧光信号处理系统扫描荧光信号，获取待测分子在生理原位条件的谱线增宽信息；

根据谱线增宽信息，确定待测分子的分子运动信息。

因此，若能利用载有纳米探针的纳米金刚石进行电子顺磁共振测量，那么将纳米探针放入细胞内，通过荧光扫描，在细胞内部依然可以分辨来自纳米金刚石的荧光信号，使生理原位的分子信息探测将成为可能，此技术在生理原位考察化学反应机理和反应动力学等方面具有重要的价值。

图2为本发明实施例基于纳米金刚石探针顺磁共振的分子信息检测系统的结构示意图。

如图2所示，基于纳米金刚石探针顺磁共振的分子信息检测系统，包括：

精密位移装置1，包括辐射组件11，精密位移装置用于固定调节待测样品的位置及定位待测样品中的纳米探针，并通过辐射组件11将微波系统发出的预设幅度调制信号辐射到纳米探针处，使得纳米探针与待测分子发生共振以产生荧光信号；

共聚焦显微装置2，用于激发纳米探针的电子状态，并收集荧光信号；

微波系统3，用于发出预设幅度调制信号；

荧光信号处理系统4，用于处理荧光信号，得到待测分子的分子信息。

根据本发明的实施例，共聚焦显微装置2，可以利用532nm波长的激光源21激发NV色心的电子状态。

根据本发明的实施例，精密位移装置1，即行程约300μm的三维纳米位移台12，用于精确定位测试所使用的单个纳米金刚石，保证测量过程中收集到的荧光信号均来自同一个纳米金刚石中的纳米探针。

本发明提供的基于纳米金刚石中氮空位色心探针的微观尺度电子顺磁共振检测分子信息的系统，通过在零外磁场下对目前实际应用中可能会发生移动或转动的纳米金刚石施加了幅度调制微波，使氮空位色心探针与目标自旋的共振条件不再依赖角度，避免了运动导致的谱线展宽和畸变问题。同时将相干检测转变成弛豫检测，部分地解决了纳米金刚石中氮空位色心探针的相干性质对其在电子顺磁共振探测中应用的限制。

根据本发明的实施例，荧光信号处理系统4中设有计算机41，计算机41可以对二极管传输来的荧光信号进行累加。

根据本发明的实施例，共聚焦显微装置2中设有针孔23，设置在共聚焦显微装置2的光路中，作为空间滤波器。

根据本发明的实施例，共聚焦显微装置2中设有二向色镜22，用于反射激发光（500-550nm），透射纳米探针中NV色心发射的荧光。

根据本发明的实施例，共聚焦显微装置2中设有物镜24，用于汇聚激发光到纳米探针。

根据本发明的实施例，荧光信号处理系统4中设有荧光信号收集探测组件42，用于处理荧光信号，得到待测分子的分子信息。

根据本发明的实施例，荧光信号收集探测组件42，即在共聚焦显微装置2中针孔23之后放置的雪崩二极管，适用于探测并记录纳米探针发出的荧光信号。

根据本发明的实施例，精密位移装置1还包括纳米位移台12，用于精细调节样品位置，控制物镜24聚焦点位置在所选的纳米探针上。

根据本发明的实施例，微波系统3由微波源31与微波放大器32构成。其中微波源31是任意波发生器，由微波源31产生的微波序列传入微波放大器32，实现微波功率的增强，最后传入辐射组件11中，辐射至纳米探针处。

以下通过较佳实施例来对本发明的技术方案作详细说明，需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。

图3为本发明实施例待测样品放置示意图。

如图3所示，将作为纳米探针的纳米金刚石用长链分子聚乙二醇（PEG）键合在载玻片上，限制了纳米金刚石的平动范围，同时保留旋转运动来模仿生理条件下进行应用时所面临的情景，

根据本发明实施例，待测样品为VOSO₄中的氧钒离子，分散在水与甘油的混合液中，并调整溶液浓度，使其浓度不导致谱线展宽。微波系统中的微波源是任意波发生器，其产生的幅度调制微波经微波功率放大器放大后，传导到辐射组件上，再辐射至纳米金刚石中的纳米探针处。

图5为本发明实施例单个纳米探针的拉比振荡模拟图。

如图5所示，NV色心的Rabi振荡迅速衰减，符合纳米金刚石旋转所产生的特征。本发明实施例中所使用的纳米金刚石是购得的商用金刚石，用于获得信号的单个纳米金刚石中的NV色心纵向弛豫时间T1约为100μs。

按照本发明实施例中预设幅度调制测量序列对待测样品施加调制频率为f的微波与激光，当被微波调制后的纳米探针能级与待测目标自旋匹配时，两者发生共振，这种变化可以体现在纳米探针发出的荧光信号上，通过荧光信号的处理系统收集并记录纳米探针产生的荧光信号。

多次重复施加幅度调制测量序列，累加荧光信号，直到得出的电子顺磁共振谱达到理想的信噪比。

图6为本发明实施例纳米探针检测氧钒离子的电子顺磁共振谱示意图。

如图6所示，谱线上向下凹陷的峰，成因是当被微波调制后的纳米探针能级与待测目标自旋匹配时，两者发生共振，影响了纳米探针的荧光信号。因此，可以从所测到的谱线上得出待测分子的能级信息，若待测分子是未知物质，那么可以根据其能级信息分析物质种类。若待测分子是人为添加的，已知的自旋标记，那么可以根据谱线展宽、谱线强度等特征，来推断该待测分子的运动情况、浓度等信息。

根据本发明实施例，采用巨噬细胞吞噬纳米探针，进行荧光扫描，所用激发光波长532nm，图像边长为50μm，颜色轴表示荧光计数。得到图7所示的荧光扫描图。

图7为本发明实施例生理原位条件下，细胞内部纳米探针的荧光扫描图。

如图7所示，虚线标示出了巨噬细胞的轮廓，虚线内部的荧光点来自纳米金刚石的荧光。纳米金刚石在532nm激光激发下，发出的荧光波长集中在637nm左右，因此可以通过加上合适波段的滤光片，滤除细胞内部的荧光背景，分辨出细胞内部纳米金刚石中NV色心的荧光信号。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于纳米金刚石探针顺磁共振的分子信息检测方法，其特征在于，包括：

将待测样品固定于精密位移装置，所述待测样品包括含有待测分子和纳米探针的载玻片，所述纳米探针包括氮空位色心的纳米金刚石探针；

利用共聚焦显微装置激发所述纳米探针的电子状态；

利用所述精密位移装置上的辐射组件将微波系统发出的预设幅度调制信号辐射到所述纳米探针处，使得所述纳米探针与所述待测分子发生共振以产生荧光信号；

通过所述共聚焦显微装置收集所述荧光信号；

利用荧光信号处理系统处理所述荧光信号，得到所述待测分子的分子信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用共聚焦显微装置激发所述纳米探针的电子状态包括：

利用所述共聚焦显微装置发射激光激发所述纳米探针的所述氮空位色心的电子状态，使所述纳米探针在基态与激发态之间跃迁。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述精密位移装置上的辐射组件将微波系统发出的预设幅度调制信号辐射到所述纳米探针处，使得所述纳米探针与所述待测分子发生共振产生荧光信号，包括：

利用所述微波系统对所述待测样品施加操控微波，形成与所述纳米探针的所述氮空位色心的共振的所述操控微波场；

在所述操控微波场的幅度上施加预设周期的调制信号，以便所述纳米探针的能级形成以所述预设周期为间隔的离散化能级边带；

通过改变调制信号频率，操控所述离散化能级边带，使所述纳米探针能级与所述待测分子的自旋能级匹配，发生共振，以产生所述荧光信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述利用荧光信号处理系统处理所述荧光信号，得到所述待测分子的分子信息包括：

利用荧光信号处理系统将多个所述荧光信号进行累加，得到电子顺磁共振谱；

通过分析所述电子顺磁共振谱，得到所述待测分子的分子信息。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述分子信息包括分子能级信息和分子种类信息，所述通过分析所述电子顺磁共振谱，得到所述待测分子的分子信息，包括：

根据所述电子顺磁共振谱的谱线特征确定的所述待测分子的分子能级信息和所述待测分子的分子种类信息。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述分子信息包括分子运动信息，所述利用荧光信号处理系统处理所述荧光信号，得到所述待测分子的分子信息，包括：

利用所述荧光信号处理系统扫描所述荧光信号，获取所述待测分子在生理原位条件的谱线增宽信息；

根据所述谱线增宽信息，确定所述待测分子的分子运动信息。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设幅度调制信号包括按照幅度调制测量序列施加的预设周期的调制微波场形成的微波信号。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测样品的制备方法包括以下任意一种：

将所述待测分子的分散液涂抹在有所述纳米探针的载玻片上，得到所述待测样品；

将所述待测分子的分散液涂抹在键合了长链分子的所述纳米探针的载波片上，得到所述待测样品；

将所述纳米探针分散在所述待测分子的分散液中，涂抹在载玻片上；得到所述待测样品。

9.一种基于纳米金刚石探针顺磁共振的分子信息检测系统，其特征在于，包括：

精密位移装置，包括辐射组件，所述精密位移装置用于固定调节待测样品的位置定位所述待测样品中的纳米探针，并通过所述辐射组件将微波系统发出的预设幅度调制信号辐射到所述纳米探针处，使得所述纳米探针与待测分子发生共振以产生荧光信号；

共聚焦显微装置，用于激发所述纳米探针的电子状态，并收集所述荧光信号；

微波系统，用于发出所述预设幅度调制信号；

荧光信号处理系统，用于处理所述荧光信号，得到所述待测分子的分子信息。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述荧光信号处理系统包括荧光信号收集探测组件，用于处理所述荧光信号，得到所述待测分子的分子信息。

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