CN115825134A - 基于碳化硅色心的单分子磁共振测量装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于碳化硅色心的单分子磁共振测量装置，该装置包括：静磁场模块，用于对磁敏感模块和待测样品施加静磁场，其中，磁敏感模块包括碳化硅色心，静磁场使碳化硅色心的简并能级退简并得到退简并能级，以及使待测样品自旋标签的特征频率位于微波波段；光源模块，对碳化硅色心施加红外波长范围内的激发光，使碳化硅色心从基态能级跃迁至激发态能级；操控场模块，将预设的微波操纵场施加到碳化硅色心上，以控制碳化硅色心的演化过程以及待测样品中的自旋标签的演化过程；读出模块，读出碳化硅色心在演化过程结束后，碳化硅色心的各个基态能级的布居度；数据处理模块，根据碳化硅色心的各个基态能级的布居度，得到待测样品的测量结果。

Description

基于碳化硅色心的单分子磁共振测量装置

技术领域

本公开涉及磁共振测量技术领域，更具体地涉及一种基于碳化硅色心的单分子磁共振测量装置。

背景技术

当物质中的自旋磁矩不为零时，物质中电子的自旋能级在外磁场作用下会发生劈裂，例如在外场作用下电子的自旋能级会劈裂成若干个能级，而在施加的微波频率与能级劈裂的频率相匹配的情况下，能级之间可以发生跃迁，吸收电磁场的辐射能，这就是磁共振现象。基于磁共振的频率与强度，可以推断出物质的成分与结构，还可以利用磁共振的频率与强度测量外部的磁场。

在实现本公开构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下技术问题：磁共振测量装置中的磁敏感模块一般采用金刚石NV色心 (nitrogen-vacancy center，氮空位中心)，利用NV色心测量磁共振现象的过程中需要使用位于可见光波段的532nm激光来对NV色心进行初始化和读出，在初始化和读出过程中，样品所处的介质中的荧光物质可能会被激活从而发出荧光，荧光读出方案最后读出结果中的测量信噪比会因此而降低，同时待测样品中的自旋信号例如自旋标签TEMPO(四甲基哌啶氧化物，C₉HNO)的电子顺磁信号受到光的扰动后会消失，使得待测样品中的自旋信号被可见光波段的532nm激光破坏掉，进而不能保障待测样品中自旋信号的强度。

发明内容

鉴于上述问题，本公开提供了一种基于碳化硅色心的单分子磁共振测量装置，以期至少部分地解决上述问题，保障待测样品中自旋信号的强度。

本公开的实施例提供了一种基于碳化硅色心的单分子磁共振测量装置，其特征在于，包括：静磁场模块，用于对磁敏感模块和待测样品施加静磁场，其中，上述磁敏感模块包括碳化硅色心，上述静磁场被配置为使上述碳化硅色心的简并能级退简并得到退简并能级，以及使得上述待测样品的自旋标签的特征频率位于微波波段；光源模块，用于对上述碳化硅色心施加红外波长范围内的激发光，上述激发光被配置为在施加上述激发光时，使上述碳化硅色心从基态能级跃迁至激发态能级；操控场模块，用于将预设的微波操控场施加到上述碳化硅色心以及上述待测样品上，以控制上述碳化硅色心与上述待测样品中自旋标签构成的整体的量子态的演化过程；读出模块，用于读出上述碳化硅色心在上述演化过程结束后，上述碳化硅色心的各个基态能级的布居度；数据处理模块，用于根据在施加上述预设的微波操控场后上述碳化硅色心的各个基态能级的布居度，得到上述待测样品的测量结果，其中测量结果包括上述待测样品中电子自旋的磁共振谱，上述待测样品中电子自旋拉比振荡曲线；其中，所述碳化硅色心与所述待测样品的自旋标签具有磁偶极相互作用，在所述自旋标签影响下，所述碳化硅色心在所述预设的微波操控场施加后得到的所述各个基态能级的布居度不相同，根据所述预设的微波操控场施加后得到的所述各个基态能级的布居度，得到所述待测样品的测量结果。

根据本公开的实施例，上述操控场模块包括操控源和微波天线，上述操控源被配置为与上述微波天线电连接。

根据本公开的实施例，上述操控源被配置为微波源，用于产生上述预设的微波操控场。

根据本公开的实施例，上述微波操控场包括以下任意一种或多种的组合：单频组合脉冲操控场、单频操控场、由第一频率操控场和第二频率操控场合成的双频操控场、经幅度调制的操控场、经频率调制的操控场、经相位调制的操控场、经幅移键控调制的操控场、经频移键控调制的操控场、经相移键控调制的操控场。

根据本公开的实施例，上述微波天线被配置为与上述磁敏感模块对应设置，其中，上述微波天线将上述操控源的上述预设的微波操控场辐射到上述磁敏感模块。

根据本公开的实施例，上述静磁场被配置为以下至少之一：地磁场、磁性材料产生的磁场、通电导线产生的磁场。

根据本公开的实施例，上述光源模块包括激发光单元和光路控制单元。

根据本公开的实施例，上述激发光单元被配置为以下至少之一：激光器、发光二极管、激光二极管。

根据本公开的实施例提供的基于碳化硅色心的单分子磁共振测量装置，通过静磁场模块对包括碳化硅色心的磁敏感模块和待测样品施加静磁场；对碳化硅色心施加红外波长范围内的激发光；将预设微波操控场施加到碳化硅色心上，预设微波操控场序列施加完毕之后，利用读出模块读出碳化硅色心在演化过程结束后，各个基态能级上的布居度；因为碳化硅色心与待测样品之间存在磁偶极相互作用，所以根据碳化硅色心的各个基态能级上的布居度可以得到待测样品的测量结果。在该方法中，因为使用了碳化硅色心作为磁敏感模块，碳化硅可以被红外波长的光激发，所以可以使用红外波长范围内的激发光对碳化硅色心进行初始化和读出，由于红外波长范围内的光子能量比可见光波长内的光子能量更低，可以避免可见光从介质中激发出的背景荧光，同时对于TEMPO等常见自旋标签，其在红外波段几乎不吸收光子，碳化硅单分子磁共振装置所使用的红外波段的激发光不会猝灭样品中自旋标签，所以至少部分地克服了相关技术中存在的利用可见光波段的激光会使得待测样品中的自旋信号被破坏，导致的自旋信号会消失的技术问题，进而达到了保障了待测样品中自旋信号的强度的技术效果。此外，通过本公开实施例提供的磁共振测量装置还可以使得较长时间下自旋标签的动力学行为研究成为可能。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开实施例的基于碳化硅色心的单分子磁共振测量装置的示意图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的碳化硅色心的能级结构示意图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的光源模块的示意图；以及

图4示意性示出了根据本公开实施例的光源模块和读出模块的示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

近年来，由于固态自旋的量子信息处理手段的快速发展，带来了新的技术更新，同时推动了固态自旋传感器技术的发展，固态自旋的量子信息被应用于测量生物分子以及磁性材料的磁共振谱当中，具体原理是当待测样品带有非零自旋时，由于自旋-自旋相互作用，会对固态自旋传感器的量子态造成影响，例如一般用的固态量子传感器是金刚石中的NV色心，当施加XY8脉冲序列在色心上的同时也施加微波脉冲在样品电子自旋上，通过扫描施加在样品电子自旋上微波脉冲的频率，当微波脉冲的频率和待测样品自旋的能级劈裂的特征频率匹配上时，将会测得一个峰信号。

基于此，在2015年，石发展、张琪、王鹏飞等人利用NV色心在室温大气环境中测得了首张单个蛋白质分子的磁共振谱(Single-protein Spin Resonance Spectroscopyunder Ambient Conditions，Science 347，1135(2015))，实现了纳米尺度单分子磁共振探测。但是测量过程中需要使用位于可见光波段的532nm激光来进行初始化和读出。这会使得待测样品中的自旋在施加激光时发生猝灭，待测样品中自旋信号在一定激光照射时间会消失。此外NV色心的原材料是金刚石，金刚石的加工以及生产技术较不成熟，使得大面积产业化较为加困难。

有鉴于此，本公开提供了一种基于碳化硅色心的单分子磁共振测量装置，利用碳化硅色心作为磁敏感模块，保障了待测样品中自旋信号的强度，同时，碳化硅色心相比于金刚石NV色心的加工以及生产技术更加成熟，容易实现产业化。具体地，该装置包括静磁场模块，用于对磁敏感模块和待测样品施加静磁场，其中，磁敏感模块包括碳化硅色心，静磁场被配置为使碳化硅色心的简并能级退简并得到退简并能级，以及使得待测样品的自旋标签的特征频率位于微波波段；光源模块，用于对碳化硅色心施加红外波长范围内的激发光，激发光被配置为在施加激发光时，使碳化硅色心从基态能级跃迁至激发态能级；操控场模块，用于将预设的微波操控场施加到碳化硅色心以及待测样品上，以控制碳化硅色心与待测样品中自旋标签构成的整体的量子态的演化过程；读出模块，用于读出碳化硅色心在演化过程结束后，碳化硅色心的各个基态能级的布居度；数据处理模块，用于根据在施加预设的微波操控场后碳化硅色心的各个基态能级的布居度，得到待测样品的测量结果，其中测量结果包括待测样品中电子自旋的磁共振谱，待测样品中电子自旋拉比振荡曲线；其中，碳化硅色心与待测样品的自旋标签具有磁偶极相互作用，在自旋标签影响下，碳化硅色心在预设的微波操控场施加后得到的各个基态能级的布居度不相同，根据预设的微波操控场施加后得到的各个基态能级的布居度，得到待测样品的测量结果。

图1示意性示出了根据本公开实施例的基于碳化硅色心的单分子磁共振测量装置的示意图。

如图1所示，基于碳化硅色心的单分子磁共振测量装置可以包括静磁场模块1、磁敏感模块2、光源模块3、操控场模块4、读出模块5以及数据处理模块6。

根据本公开的实施例，静磁场模块1可以对磁敏感模块2和待测样品 7施加静磁场，其中，磁敏感模块2可以包括单个或多个碳化硅色心8。静磁场可以使得碳化硅色心8的简并能级退简并得到退简并能级，以及使得待测样品7的自旋标签的能级发生劈裂，从而调节能级发生劈裂所对应的特征频率，使得该特征频率位于微波波段，微波波段可以是50MHz～300GHz波段。

根据本公开的实施例，静磁场模块1可以是采用距离待测样品7和磁敏感模块2有一定距离的永磁铁或者带电线圈实现，可选地，永磁铁和带电线圈可以是固定的或者是可移动的。

根据本公开的实施例，静磁场可以是以下至少之一：地磁场、磁性材料产生的磁场、通电导线产生的磁场，静磁场还可以根据实际需要进行适应性调整。

根据本公开的实施例，磁敏感模块2上面可以放置待测样品7。磁敏感模块2可以是由碳化硅中的单个或多个磁敏感缺陷构成，具体地，磁敏感缺陷可以是由碳化硅晶格空缺一个相邻的C原子和一个Si原子构成的碳化硅双空位色心8。碳化硅色心8可以用于探测待测样品7中的自旋标签，自旋标签可以是待测样品7里未配对的电子。

根据本公开的实施例，磁敏感模块2也可以由其他磁敏感缺陷构成，具体地，该磁敏感缺陷的基态能级可以与待测样品中的自旋信号有磁偶极相互作用，并且可以被红外光激发与读出。例如，其他磁敏感缺陷可以是碳化硅中的NV色心，其由碳化硅晶格中氮原子取代一个C原子或一个 Si原子再加上相邻的C、Si原子的空位构成。

图2示意性示出了根据本公开实施例的碳化硅色心的能级结构示意图。

如图2所示，碳化硅色心8的能级结构可以包括未施加静磁场时的0 态能级9、未施加静磁场时简并的+1态能级10与-1态能级11、碳化硅色心的激发态能级12、施加静磁场后的0态能级13、施加静磁场后劈裂开来的-1态能级14与+1态能级15。在图2中不仅示意出了能级示意图，还示意出了跃迁过程示意图。例如施加激发光时碳化硅色心的跃迁过程16、当碳化硅色心位于0态时自发辐射的荧光示意17、当碳化硅色心位于±1 态时自发辐射的荧光示意18、施加静磁场后用于操纵0态与-1态跃迁的微波示意19、施加静磁场后用于操纵0态与+1态跃迁的微波示意20、非辐射跃迁21、自旋单态22。

根据本公开的实施例，碳化硅色心的+1态能级10与-1态能级11在未施加静磁场时简并。简并能级退简并后得到的退简并能级可以包括施加静磁场后劈裂开来的-1态能级14、施加静磁场后劈裂开来的+1态能级15。静磁场还可以使得待测样品7中的自旋能级的发生劈裂，从而调节待测样品能级劈裂对应的特征频率，使调节后的特征频率位于微波波段。

根据本公开的实施例，碳化硅色心8的基态能级是施加静磁场时后的 0态能级13，-1态能级14以及+1态能级15。光源模块3可以用于对碳化硅色心8施加红外波长范围内的激发光，该激发光可以使碳化硅色心8的量子状态从基态能级跃迁至碳化硅色心的激发态能级12，以完成对碳化硅色心8的初始化过程。

根据本公开的实施例，光源模块3发出的激发光可以使碳化硅色心8 的量子状态在施加静磁场后0态能级13与碳化硅色心的激发态能级12之间、施加静磁场后+1态能级15与碳化硅色心的激发态能级12之间、施加静磁场后的-1态能级14与碳化硅色心的激发态能级12之间发生跃迁，跃迁至碳化硅色心的激发态能级12之后，一部分布居通过自发辐射荧光回到原能级，另外一部分布居通过非辐射跃迁弛豫到施加静磁场后0态能级 13，整体来看整个过程使得施加静磁场后+1态能级15和施加静磁场后的 -1态能级14上布居转移到施加静磁场后0态能级13上，施加一段时间激光之后以便碳化硅色心8的量子状态均初始化至施加静磁场后0态能级13。因为在进行初始化之前，碳化硅色心8的量子是随机分布在施加静磁场后 0态能级13、施加静磁场后+1态能级15、施加静磁场后的-1态能级14上的，对碳化硅色心8的量子状态进行初始化可以获得一个统一的初始状态。

根据本公开的实施例，通过对碳化硅色心的量子状态的初始化，以保障在碳化硅色心演化前碳化硅色心的量子状态相同，若不进行统一的初始化，则每次演化前的初始状态均不相同，最后演化完的状态也随机分布，自旋标签的信号将不会被测得。

根据本公开的实施例，操控场模块4，用于将预设的微波操控场施加到碳化硅色心8以及待测样品7上，以控制碳化硅色心8与待测样品7中自旋标签构成的整体的量子态的演化过程。预设的微波操控场可以包括多个不同的预设的微波脉冲序列，也可以理解为是具有预设波形的磁场。其中，预设的脉冲序列、预设波形的磁场可以根据实际情况进行适应性调整，本公开实施例的预设的微波脉冲序列可以如图3所示。

根据本公开的实施例，操控场模块4用于输出预设脉冲序列，并将脉冲序列施加到碳化硅色心8和待测样品7的自旋标签上，即施加预设波形的磁场到碳化硅色心8和待测样品7的自旋标签上，该预设波形的磁场将会影响演化过程中碳化硅色心8和待测样品7的自旋标签构成整体的哈密顿量，进而影响碳化硅色心8和待测样品7整体的量子态演化的进程，所以不同微波脉冲序列下演化最后得到的碳化硅色心8的各个基态能级的布居度不同。

根据本公开的实施例，读出模块5可以用于读出碳化硅色心8在演化过程结束后，碳化硅色心8的各个基态能级的布居度。具体地，碳化硅色心8的读出方式可以采用荧光读出，读出过程可以依据施加静磁场后的0 态能级13与施加静磁场后的+1态能级15和-1态能级14在被激发光激发一段时间之后发出的荧光光子期望数不同读出碳化硅色心8的0态能级13 上的布居度。+1态能级15和-1态能级14的布居度可以通过脉冲将其布居度与0态能级13交换后，通过读出0态能级13的布居度完成。荧光读出的过程可以是光源模块3施加激发光，碳化硅色心8发出的荧光到达读出模块5，被读出模块5收集并进行计数，根据得到的光子计数可以得到碳化硅色心0态能级13上的布居度。

根据本公开的实施例，数据处理模块6可以用于根据在预设的微波操控场施加后的碳化硅色心8的各个基态能级的布居度，得到待测样品的测量结果，其中测量结果可以是待测样品中电子自旋的磁共振谱，待测样品中电子自旋拉比振荡曲线等。具体地，数据处理模块6可以用于根据预设的微波操控场输出的不同微波脉冲序列下，使碳化硅色心发生演化过程后得到各个基态能级的布居度，得到待测样品的测量结果。也可以理解为，数据处理模块6可以根据在施加不同的脉冲序列后的碳化硅色心8的各个基态能级的布居度，得到待测样品的测量结果。

根据本公开的实施例，碳化硅色心8与待测样品7的自旋标签具有磁偶极相互作用，在自旋标签影响下，碳化硅色心8在预设的微波操控场施加后得到的各个基态能级的布居度不相同，根据预设的微波操控场施加后得到的各个基态能级的布居度，得到待测样品7的测量结果。还可以理解为在待测样品7中带有自旋标签的情况下，自旋标签与碳化硅色心8之间具有磁偶极相互作用，该磁偶极相互作用可以影响碳化硅色心8状态的演化，进而在不同微波脉冲序列下碳化硅色心8进行初始化-演化-读出的过程中，最终可以得到碳化硅色心8的各个基态能级上布居度不同，布居度可以理解为碳化硅色心8处于某个能级上的概率。

图3示意性示出了根据本公开实施例的在测量磁共振过程中微波脉冲序列的示意图。

如图3所示，一系列操纵场序列可以是是图3所示的序列，该序列通过固定脉冲间隔时间τ0和射频场脉冲时间τ，改变射频场频率f得到，此时根据最后这一系列操纵场下初始化-演化-读出过程得到的一系列碳化硅色心不同基态能级上布居度，可以得到待测样品的磁共振谱。当演化过程中施加的一系列操纵场是图3所示的序列时，固定射频场频率是待测样品带有电子自旋的特征频率，同时保持脉冲间隔时间τ0，改变射频场时间τ得到的时，根据最后这一系列操纵场下初始化-演化-读出过程得到的一系列碳化硅色心不同基态能级上布居度，可以得到的是待测样品上自旋标签的拉比振荡曲线。

如图3所示的脉冲序列，其中初始化以及读出方块代表初始化过程和读出过程，其它块状代表微波脉冲，其是两个频率的微波脉冲场组合而成，其中一个频率与碳化硅色心的能级劈裂相匹配，其对碳化硅色心进行操控，示意图上将这些脉冲画成微波X的π脉冲与微波Y的π脉冲，以及方块π/2 与3π/2，这些脉冲是单频的正弦脉冲，脉冲直接不同的差异主要是脉冲时间和脉冲相位的不同，微波X与微波Y的相位差了90度，微波X的π脉冲的脉冲时间要使得脉冲施加后色心上正好经历一个π门，微波Y的π脉冲的脉冲时间也要使得脉冲施加后色心上正好经历一个π门，π/2脉冲的脉冲时间要使得脉冲施加后色心上正好经历一个π/2门，π/2脉冲的脉冲时间要使得脉冲施加后色心上正好经历一个3π/2门。另外一个频率的微波脉冲场的频率可以任意选取，其频率记为f，脉冲时间也可以任意选取，将脉冲时间记为τ，设置脉冲时间的主要目的是对样品中电子自旋进行操控。脉冲与脉冲直接具有时间间隔，如图3中对碳化硅色心的操纵序列，π/2脉冲施加完之后要等待τ0/2后才同时施加微波X的π脉冲以及射频场脉冲，而微波X与微波Y的π脉冲间隔以及射频场脉冲间隔都是τ0。另外图3中用方括号31括起来的部分微波脉冲序列可以重复n次，恰当选择n可以提高最后得到信号的信噪比。

根据本公开的实施例，通过静磁场模块对包括碳化硅色心的磁敏感模块和待测样品施加静磁场；对碳化硅色心施加红外波长范围内的激发光；将预设微波操控场施加到碳化硅色心上，使碳化硅色心发生演化后，利用读出模块读出碳化硅色心在演化过程结束后，各个基态能级上的布居度；因为碳化硅色心与待测样品之间存在磁偶极相互作用，所以根据碳化硅色心的各个基态能级上的布居度可以得到待测样品的测量结果。在该方法中，因为使用了碳化硅色心作为磁敏感模块，碳化硅可以被红外波长的光激发，所以可以使用红外波长范围内的激发光对碳化硅色心进行初始化和读出，由于红外波长范围内的光子能量比可见光波长内的光子能量更低，可以避免可见光从介质中激发出的背景荧光，同时对于TEMPO等常见自旋标签，其在红外波段几乎不吸收光子，碳化硅单分子磁共振装置所使用的红外波段的激发光不会猝灭样品中自旋标签，所以至少部分地克服了相关技术中存在的利用可见光波段的激光会使得待测样品中的自旋信号被破坏，导致的自旋信号会消失的技术问题，进而达到了保障了待测样品中自旋信号的强度的技术效果。此外，通过本公开实施例提供的磁共振测量装置还可以使得较长时间下自旋标签的动力学行为研究成为可能。

根据本公开的实施例，操控场模块4可以包括操控源401和微波天线 402，操控源401可以是微波源，用于产生预设的微波操控长，操控源401 与微波天线402电连接。微波源401还可以包括微波功率放大组件以及开关组件等。可以理解的是，微波源可以根据本领域常见的组件构建，在此不再赘述。

根据本公开的实施例，微波天线402可以被配置为与磁敏感模块2对应设置，磁敏感模块2与微波天线402对应设置，为了将磁敏感模块2设置在微波天线402所发射出的操控场中足够强的位置处。微波天线402可以将操控源401产生的预设微波操控场辐射到磁敏感模块2。

根据本公开的实施例，微波操控场包括以下任意一种或多种的组合：单频组合脉冲操控场、单频操控场、由第一频率操控场和第二频率操控场合成的双频操控场、经幅度调制的操控场、经频率调制的操控场、经相位调制的操控场、经幅移键控调制的操控场、经频移键控调制的操控场、经相移键控调制的操控场。操控场还可以根据实际需要进行适应性调整。

根据本公开的实施例，操纵场模块4可以是微波源加微波天线，微波源可以产生预设的微波脉冲序列，微波天线可以把微波辐射出去，从而在磁敏感模块处产生与预设的微波脉冲序列对应的具有预设波形的交变磁场。

图4示意性示出了根据本公开实施例的光源模块和读出模块的示意图。

如图4所示，光源模块3可以包括激发光单元301和光路控制单元。具体地，激发光单元301可以是以下至少之一：激光器、发光二极管、激光二极管。激发光单元发出的波长可以是700nm～1000nm。

根据本公开的实施例，光路控制单元可以包括1/2λ波片302、偏振分束器303、第一平凸透镜304、声光调制器305、第二平凸透镜306、1/4λ波片307、反射镜308、小孔309、第一光纤准直器310、第二准直器311。光路控制单元用于控制激发光单元发出的激发光可以入射到待测样品上。其中，第一平凸透镜304和第二平凸透镜306的焦距还可以根据实际需要进行适应性调整。声光调制器305是用于开关激光的，当向声光调制器305 施加TTL(Transistor-Transistor Logic，逻辑门电路)信号时，光能入射到第一光纤准直器310中经过光纤射入之后的光路；当不向声光调制器305 施加TTL信号时，光不能入射到第一光纤准直器310中经过光纤射入之后的光路中。

根据本公开的实施例，光源模块3的工作方式可以是激发光单元301 透过1/2λ波片302入射到偏振分束器303上面后透射，之后经过第一平凸透镜304聚焦之后入射到声光调制器305上面，衍射出来的一级光斑再经过第二平凸透镜306准直之后透过一个1/4λ波片307被反射镜308反射，再经过第二平凸透镜306、声光调制器305后被衍射、衍射出来的一级光斑透过第一平凸透镜304入射到偏振分束器303上被反射，之后透过一个小孔309入射到第一光纤准直器310里面，经过光纤传输之后再从第二光纤准直器311出射，入射到碳化硅色心8上。

如图4所示，读出模块5可以对碳化硅色心8发出的荧光光子数进行计数，读出碳化硅色心8在演化过程结束后，利用光源模块3激发碳化硅色心8，通过读出模块5对碳化硅色心8发出的荧光光子数进行计数，根据读出的荧光光子数的数量可以得到碳化硅色心8的各个基态能级上的布居度。读出模块5可以包括长通滤光片501、聚焦透镜502、第三光纤准直器503、单光子探测器504。具体地，读出过程可以是荧光从样品架与位移台上的磁敏感模块射出后，会先经过一个长通双色镜，长通双色镜可以允许大于特定波长的光透过，小于特定波长的光被双色镜反射，特定波长可以根据需要进行适应性调整。经过长通双色镜的荧光会经过长通滤光片501、聚焦透镜502，被聚焦透镜502聚焦之后汇聚到第三光纤准直器 503上，再通过光纤连接到单光子探测器504上，实现对荧光信号的探测与读出。

如图4所示，样品架与位移台可以用于放置样品，具体地，可以放置有磁敏感模块2、待测样品7、微波天线402等。

根据本公开的实施例，还提供了一种利用本公开实施例的基于碳化硅色心的单分子磁共振测量装置测量待测样品磁共振谱的测量方法，具体地，该方法包括以下步骤。

在测量磁共振谱的过程中，可以将待测样品7置于磁敏感模块2上，并施加静磁场。对于一系列不同脉冲序列，可以重复以下初始化-演化-读出的操作：

初始化的实现方式可以为利用光源模块3发出的光入射到磁敏感模块 2中碳化硅色心8上，对碳化硅色心8进行初始化。施加激发光时，通过 ISC(State-selectiveintersystem crossing，状态选择性系统间交叉)过程初始化到施加静磁场后的0态能级13上。

演化过程中的实现方式可以是操控场模块4对待测样品7和磁敏感模块2施加脉冲序列，每次施加的脉冲序列可以是不同的，由操控场输出的脉冲序列可以如图3所示。演化过程时初始化过程之后，碳化硅色心8以及待测样品7中待测电子自旋的量子态在体系哈密顿量的主导下进行量子态的演化。通过操控场模块4输出预设的微波操控场到碳化硅色心8以及待测样品7上，实现演化。其中，微波操控场影响了在脉冲序列施加时间内，碳化硅色心以及待测样品自旋标签的哈密顿量，进而也就影响了演化之后得到的量子态。

如图3所示，相位相差90度的微波X与微波Y通过微波天线施加π脉冲、3π/2脉冲或者π/2脉冲在碳化硅色心8上，施加微波的同时也施加频率为f时间为τ的射频场脉冲在待测样品7上，以操纵待测样品7上的自旋，相邻的π脉冲的间隔时间是τ₀，π/2脉冲与π脉冲的间隔时间为τ₀/2，π脉冲与3π/2脉冲间隔时间也为τ₀/2。

演化过程之后，可以对碳化硅色心8的状态进行读出，读出的实现方式可以是利用光源模块3的激发光单元301发出的光入射到磁敏感模块2 中碳化硅色心8上，通过读出模块对碳化硅色心发出荧光光子数进行计数，根据读出荧光光子数的多少可以得到碳化硅色心的各个基态能级上的布居度。读出演化过程后，在预设的微波操控场施加后的碳化硅色心的演化状态，得到碳化硅色心的各个基态能级的布居度；以及根据不同操控场的不同微波序列下读出的布居度，确定待测样品的测量结果。

根据本公开的实施例，若一系列操纵场序列是图3所示的序列，在该序列是通过固定脉冲间隔时间τ0和射频场脉冲时间τ，改变射频场频率f 得到的情况下，此时可以根据最后这一系列操纵场下初始化-演化-读出过程得到的一系列碳化硅色心不同基态能级上的布居度，可以得到待测样品的磁共振谱。若演化过程中施加的一系列操纵场是图3所示的序列，在该序列是通过固定射频场频率f是待测样品带有电子自旋的特征频率，同时保持脉冲间隔时间τ0，改变射频场时间τ得到的情况下，根据最后这一系列操纵场下初始化-演化-读出过程得到的一系列碳化硅色心不同基态能级上布居度，可以得到的是待测样品上自旋标签的拉比振荡曲线。

根据本公开的实施例，体系哈密顿量包含所述碳化硅色心本身哈密顿量、所述待测样品哈密顿量以及碳化硅色心与所述待测样品的自旋标签的磁偶极相互作用哈密顿量，所以自旋标签自身的性质会影响到所述碳化硅色心在不同微波操纵场下的演化过程，进而改变所述碳化硅色心在不同微波操纵场施加后的基态能级的布居度，所以根据所述碳化硅色心在不同微波操纵场施加后的基态能级的布居度能够得到所述待测样品性质的测量结果。

根据本公开的实施例，对于每一个脉冲序列，都要循环一定次数初始化-演化-读出的操作，在这些次数当中，需要对读出模块得到的结果进行平均，得到平均幅度，循环次数的选择要使得最后平均出来的结果的信噪比足够高，足够高可以理解为即待测样品信号的幅度要强于噪声的幅度。最后就得到每一个脉冲序列循环初始化-演化-读出操作后读出模块结果的平均值，对数值进行数据处理可以得到最后的测量结果。

根据本公开的实施例，采用碳化硅色心作为磁敏感模块，从而能使用碳化硅而非金刚石作为原材料，相较于加工以及生产技术不太成熟的金刚石，使用加工以及生产技术较为成熟的碳化硅，更利于实现大面积产业化。

根据本公开的实施例，采用红外光源进行初始化与读出，相对于NV 色心上采用的532nm可见光初始化与读出方式，红外光源光子能量更低，位于“生物窗口”内，相同功率下对生物材料(例如细胞)损伤更小，同时使用红外光源可以避免对可见光敏感的介质进行扰动，例如采用镜头油作为容纳样品的介质时，532nm激光照射下可能会有荧光产生干扰信号读出，利用更低光子能量的红外光源能改善这一情况。因此，使用碳化硅而非金刚石作为磁敏感单元原材料，更加易于产业化，另外使用红外光源进行初始化与读出，较原先NV色心上采用的532nm可见光初始化与读出方式，理论上对样品扰动和损伤更小，保障了待测样品中自旋信号的强度。此外，通过本公开实施例提供的磁共振测量装置还可以使得较长时间下自选标签的动力学行为研究成为可能。

需要说明的是，本公开实施例中的流程图所示的操作除非明确说明不同操作之间存在执行的先后顺序，或者不同操作在技术实现上存在执行的先后顺序，否则，多个操作之间的执行顺序可以不分先后，多个操作也可以同时执行。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。再者，单词"包含"不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

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

Claims (8)

1.一种基于碳化硅色心的单分子磁共振测量装置，其特征在于，包括：

静磁场模块，用于对磁敏感模块和待测样品施加静磁场，其中，所述磁敏感模块包括碳化硅色心，所述静磁场被配置为使所述碳化硅色心的简并能级退简并得到退简并能级，以及使得所述待测样品的自旋标签的特征频率位于微波波段；

光源模块，用于对所述碳化硅色心施加红外波长范围内的激发光，所述激发光被配置为在施加所述激发光时，使所述碳化硅色心从基态能级跃迁至激发态能级；

操控场模块，用于将预设的微波操控场施加到所述碳化硅色心以及所述待测样品上，以控制所述碳化硅色心与所述待测样品中自旋标签构成的整体的量子态的演化过程；

读出模块，用于读出所述碳化硅色心在所述演化过程结束后，所述碳化硅色心的各个基态能级的布居度；

数据处理模块，用于根据在施加所述预设的微波操控场后所述碳化硅色心的各个基态能级的布居度，得到所述待测样品的测量结果，其中测量结果包括所述待测样品中电子自旋的磁共振谱，所述待测样品中电子自旋拉比振荡曲线；

其中，所述碳化硅色心与所述待测样品的自旋标签具有磁偶极相互作用，在所述自旋标签影响下，所述碳化硅色心在所述预设的微波操控场施加后得到的所述各个基态能级的布居度不相同，根据所述预设的微波操控场施加后得到的所述各个基态能级的布居度，得到所述待测样品的测量结果。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述操控场模块包括操控源和微波天线，所述操控源被配置为与所述微波天线电连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述操控源被配置为微波源，用于产生所述预设的微波操控场。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述微波操控场包括以下任意一种或多种的组合：单频组合脉冲操控场、单频操控场、由第一频率操控场和第二频率操控场合成的双频操控场、经幅度调制的操控场、经频率调制的操控场、经相位调制的操控场、经幅移键控调制的操控场、经频移键控调制的操控场、经相移键控调制的操控场。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述微波天线被配置为与所述磁敏感模块对应设置，其中，所述微波天线将所述操控源的所述预设的微波操控场辐射到所述磁敏感模块。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述静磁场被配置为以下至少之一：地磁场、磁性材料产生的磁场、通电导线产生的磁场。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源模块包括激发光单元和光路控制单元。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述激发光单元被配置为以下至少之一：激光器、发光二极管、激光二极管。

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