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科普干货!脉冲EPR技术在量子传感中的应用

更新时间:2023-07-31      点击次数:1609

自量子力学创立以来,科学家通过对量子行为的研究,研发出了核磁共振成像、激光、半导体等在内的众多技术产品,对人类生活产生了重大影响。随着技术进步,第二次量子革命蓬勃发展,利用量子精密测量技术实现的精密仪器使物理量的测量达到了前suo未有的分辨率和灵敏度。

 

 

何为量子传感器?

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量子传感器利用量子力学的原理和技术来测量一系列物理量。与经典传感器不同,量子传感器利用量子态的特殊性质(例如叠加态和纠缠态)来实现高精度、高灵敏度、高分辨率的测量。其测量的物理量包括磁场、电场、温度、压力、pH值、时间和频率等。此外,量子传感器还可以用于探测微小的物理效应,例如引力波、暗物质等,为天体物理等领域提供了新的测量手段。

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量子精密测量技术

 

 

脉冲EPR技术简介

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脉冲电子顺磁共振 (pulsed EPR)是一种涉及到在恒定磁场中测量电子自旋净磁化矢量的磁共振技术。在实验中,通常施加一个短的振荡场(比如微波脉冲)来对电子自旋磁化矢量的状态进行扰动,然后测量由样品磁化产生的微波发射信号,再将微波信号通过傅立叶变换在频域中产生 EPR 频谱,从而可以获得有关顺磁性化合物的结构和动力学信息,电子自旋回波包络调制(ESEEM)或脉冲电子-核双共振(ENDOR)等脉冲 EPR 技术还可以揭示电子自旋与其周围核自旋的相互作用。与传统的连续波EPR(CW EPR)相比,脉冲EPR在控制和测量样品中的自旋态方面具有更高的灵活性和精度。

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脉冲EPR技术在量子传感中的应用

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在量子传感中,我们可以以电子自旋为探针,来探测核自旋的相关信息。基于脉冲EPR的弛豫测量和超精细光谱法可以识别顺磁粒子并对其浓度进行测量。其测量的原理为在脉冲EPR中,由于核自旋会影响电子自旋的T1(纵向弛豫时间)和T2(横向弛豫时间),浓度会影响电子自旋与核自旋的平均相互作用强度,从而影响电子自旋的弛豫时间。因此通过监测电子自旋的T1和T2的变化可以推断核自旋的浓度。同时,核自旋会调制电子自旋的进动频率,从而可通过电子自旋来对核自旋进行表征。

 

Sun Lei课题组以有机量子比特的MOF材料(MgHOTP)为探针,通过电子与核之间的超精细耦合作用实现了室温下溶液相中离子的量子传感,可用于检测环境中的化学分析物(Li+、Na+)并对其进行定量分析。研究人员将有机自由基嵌入MOF骨架中,在实现室温可操作性的同时还能使有机量子比特与分析物通过吸附作用密切接触。

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图1基于MOFs中的有机自由基的室温量子传感。(a)将具有有机量子比特的MOF颗粒悬浮在待测分析物的溶液中。(b)化学分析物被吸附到MOF中,并通过超精细耦合与嵌入的自由基相互作用。(c)基于超精细光谱可以识别与自由基量子比特相互作用的原子核,并进一步对化学分析物进行量化。

(J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 19008−19016)

 

MgHOTP中的自由基表现为电子自旋量子比特,其量子态可以被外部磁场部分极化,使用微波脉冲操控,并通过电子自旋回波读出。利用脉冲弛豫方法以及CP-ESEEM方法可对Li+进行检测并定量,检测范围为5*10-3 mol/L-0.5 mol/L。

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图2 室温下MgHOTP定量检测THF溶液中的Li+。(a) 不同[Li+]的LiClO4 THF溶液中MgHOTP的T1和Tm。(b)  [Li+] = 2.0 mol/L的LiClO4 THF溶液中MgHOTP的部分时间域CP-ESEEM谱图。(c) 不同τ值下CP-ESEEM的二维光谱。(d) MgHOTP在含不同[Li+] LiClO4的THF溶液中的频域CP-ESEEM谱。(e) 2ω(7Li)/ 2ω(1H) ESEEM峰值比与[Li+]的关系。(f) MgHOTP在含0.1 mol/L NaClO4和不同浓度LiClO4的THF溶液中的频域CP-ESEEM谱。

(J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 19008−19016)

 

 

国仪量子

X波段脉冲式电子顺磁共振谱仪

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国仪量子X波段脉冲式电子顺磁共振谱仪EPR100是一款集连续波EPR、脉冲EPR、瞬态EPR为一体的多功能EPR谱仪,在支持连续波EPR实验的同时,还可实现弛豫时间测量、电子-电子双共振、电子-核双共振等多类型脉冲实验测试。

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国仪量子X波段脉冲式电子顺磁共振谱仪EPR100

 

随着研发能力与产品工程化能力不断提升,国仪量子目前已推出具有核心自主知识产权,商用化的X波段电子顺磁共振波谱仪全系列产品:X波段脉冲式电子顺磁共振波谱仪EPR100、X波段连续波电子顺磁共振波谱仪EPR200-Plus、台式电子顺磁共振波谱仪EPR200M;并向前沿高duan技术的高频谱仪进军,研发出了W波段脉冲式电子顺磁共振波谱仪EPR-W900。

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