一种零场顺磁共振的测量方法以及测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种零场顺磁共振的测量方法以及测量系统，本发明专利技术技术方案利用金刚石基材中的NV色心作为探针来测量目标电子的顺磁共振谱，使用了零场的条件，不但能抵抗了由于分子随机取向产生的不良影响，而且能排除由外磁场产生塞曼效应从而直接探测所需要的能级结构。例如：通过解析电子‑电子精细相互作用，可以得到分子的空间结构；通过解析电子‑核自旋超精细相互作用，可以得到分子的局域极性环境，且使用了精密位移装置、光学共聚焦装置、NV色心探针的结合，精密位移装置与共聚焦显微装置实现对NV色心的精确寻找和探测，且NV色心本身为单电子探针具有纳米尺度的分辨能力，从而实现了纳米尺度的探测能力。

【技术实现步骤摘要】
一种零场顺磁共振的测量方法以及测量系统
本专利技术涉及磁共振测量
，更具体的说，涉及一种零场顺磁共振的测量方法以及测量系统。
技术介绍
电子顺磁共振(EPR)是用来研究含有未配对电子的顺磁性物质的一种强有力的手段。EPR现象最早于1945年被前苏联物理学家E.Zavoisky发现，经过近几十年来的发展，在物理、化学、生物、材料和医学领域有着广泛的应用。但是受限于电磁线圈探测的低灵敏度，目前最好的EPR技术也仅能探测微米量级的样品。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术技术方案提供了一种零场顺磁共振的测量方法以及测量系统，大幅提高了电子顺磁共振的测量精度。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种零场顺磁共振的测量方法，所述测量方法包括：提供探针装置，所述探针装置包括金刚石基材以及位于所述金刚石基材内的NV色心；在所述金刚石基材表面放置待测目标；在所述金刚石基材中选择一个目标NV色心，使得共聚焦显微镜光路出射的激光脉冲聚焦在所述目标NV色心上；在外界磁场为零的条件下，通过预设的激光脉冲和微波脉冲，对所述目标NV色心以及所述待测目标中的目标电子的极化状态以及能级态进行调节，基于所述目标NV色心的极化状态以及能级态的改变，以及所述目标电子的极化状态以及能级态的改变，获取待测目标的顺磁共振谱。优选的，在上述测量方法中，所述提供探针装置的制备方法包括：提供一金刚石基材；对所述金刚石基材进行离子注入，在真空环境下退火，在所述金刚石基材内形成NV色心。优选的，在上述测量方法中，在所述金刚石基材中选择一个目标NV色心，使得共聚焦显微镜光路出射的激光脉冲聚焦在所述目标NV色心上包括：将所述金刚石基材固定在辐射结构的辐射表面；所述辐射结构用于通过所述辐射表面辐射微波脉冲；调节所述辐射结构与共聚焦显微镜光路的相对位置，使得所述共聚焦显微镜光路出射的激光脉冲能够照射到所述金刚石基材的表面，且使得所述共聚焦显微镜光路能够收集所述金刚石基材中NV色心产生的荧光；扫描收集所述金刚石基材出射的荧光，获取NV色心所产生荧光的二维图，测量NV色心的拉比震荡频率和自旋锁定弛豫时间，基于测量结果确定所述目标NV色心；调节所述辐射结构与所述共聚焦显微镜光路的相对位置，使得共聚焦显微镜光路出射的激光脉冲聚焦在所述目标NV色心上。优选的，在上述测量方法中，所述NV色心在实验室坐标系下的能级结构包括|±1>态和|0〉态；所述NV色心在微波场的旋转坐标系下的能级结构包括三个能级，该三个能级依次为态、态和态，该三个能级中相邻两个态的能级间隔为Ω/2，Ω＝γe·B1，B1是微波场强，γe是电子旋磁比；获取所述待测目标的顺磁共振谱的方法包括：根据预期的谱线分辨率，选择预设的扫描步长，在预设扫描范围内从低至高依次测量不同微波功率对应的荧光计数；从低至高依次测量所选微波功率对应的荧光计数；绘制微波功率与荧光计数的关系图，基于该关系图获取所述顺磁共振谱。优选的，在上述测量方法中，测量一个所选择的微波功率对应的荧光计数的方法包括：利用第一激光脉冲将所述目标NV色心极化到|0〉态；利用第一微波脉冲将|0〉态上的布居转移到态上；利用第二微波脉冲将所述目标NV色心的态锁定在态；利用第三微波脉冲将态上的布局转移回|0〉态；利用第二激光脉冲读出|0>态的布居数所对应的荧光计数；多次重复上述过程，获取多个荧光计数，将该多个荧光计数的累加值作为所述微波功率对应的荧光计数。优选的，在上述测量方法中，所述第一激光脉冲的波长为532nm，功率为100μW，脉冲长度为1μs；所述第一微波脉冲的频率为2.87GHz，波形函数为Ωcos(ωt)，脉冲长度τ满足条件Ω·τ＝π/2；所述第二微波脉冲的频率为2.87GHz，波形函数为Ωsin(ωt)，脉冲长度τ满足条件Ω·τ＝π/2，脉冲长度τ为10μs-100μs；所述第三微波脉冲的频率为2.87GHz，波形函数为Ωcos(ωt+π)，脉冲长度τ满足条件Ω·τ＝π/2；所述第二激光脉冲的波长为532nm，功率为100μW，激光读出所用时间窗口为400ns。本专利技术还提供了一种零场顺磁共振的测量系统，所述测量系统包括：外部微波线路，所述外部微波线路和辐射结构连接，用于控制所述辐射结构的辐射表面辐射微波脉冲；固定在所述辐射表面的探针装置，所述探针装置包括金刚石基材以及位于所述金刚石基材内的NV色心；进行零场顺磁共振测量时，待测量目标设置在所述金刚石基材的表面；精密位移装置，所述辐射结构安装在所述精密位移装置上，所述精密位移装置用于调节所述辐射结构的位置；共聚焦显微装置，所述共聚焦显微装置包括共聚焦显微镜光路，所述共聚焦显微镜光路出射激光脉冲通过显微物镜照射到所述探针装置，且能够通过所述显微物镜收集所述金刚石基材中NV色心产生的荧光；磁屏蔽罩，所述磁屏蔽罩包围所述精密位移装置、所述辐射结构、探针装置以及待测目标。优选的，在上述测量系统中，所述金刚石基材为2mm*2mm*0.1mm的金刚石块。优选的，在上述测量系统中，所述辐射结构用于辐射频率为2.87GHz的微波脉冲；所述共聚焦显微镜光路用于出射波长为532nm的激光脉冲。通过上述描述可知，本专利技术技术方案提供的零场顺磁共振的测量方法和测量系统中，利用金刚石基材中的NV色心作为探针来测量目标电子的顺磁共振谱。金刚石材料中的NV色心是一种光学性质极好的缺陷，具有如下特性：在波长532nm的激光激发下，可以将NV色心极化到特定的量子态，处于不同量子态的NV色心能够发出不同强度的荧光，微波可以改变NV色心的量子态状态。基于上述特性可以对NV色心进行量子态的初始化，操纵和读出，且NV色心有氮缺陷和邻近空穴组成，二者间距为金刚石中C-C键长(0.137nm)，本身尺度很小，因为其作为磁探针拥有极高的空间分辨率，同时利用其量子相干特性可以有很强的探测灵敏度。本专利技术技术方案通过扫描微波场强度来达到进行扫描谱线的目标。在扫描微波场强度时，NV色心的拉比频率会随之改变，在微波场旋转坐标系下，NV色心的等效能级劈裂会随之发生改变，当NV色心的等效能级劈裂与目标电子的能级劈裂一致时，NV色心的极化会转移到目标电子上，从而NV色心的状态会因为目标电子的存在而发生改变。这种改变可以被探测，从而形成对待测目标的顺磁共振谱的测量。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种零场顺磁共振的测量系统；图2为本专利技术实施例提供的进行零场顺磁共振测量的原理示意图；图3为本专利技术实施例提供的一种激光脉冲和微波脉冲的序列时序图；图4为本专利技术实施例所述测量系统中辐射结构的示意图；图5为图4中辐射表面的俯视图；图6为本专利技术实施例提供的一种零场顺磁共振的测量方法的流程示意图；图7为本专利技术实施例提供的一种使得共聚焦显微镜光路出射的激光聚焦在目标NV色心上的方法的流程示意图；图8为本专利技术实施例提供的一种获取待测目标的顺磁共振谱方法的流程示意图；图9为本专利技术实施例提供的一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种零场顺磁共振的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：提供探针装置，所述探针装置包括金刚石基材以及位于所述金刚石基材内的NV色心；在所述金刚石基材表面放置待测目标；在所述金刚石基材中选择一个目标NV色心，使得共聚焦显微镜光路出射的激光脉冲聚焦在所述目标NV色心上；在外界磁场为零的条件下，通过预设的激光脉冲和微波脉冲，对所述目标NV色心以及所述待测目标中的目标电子的极化状态以及能级态进行调节，基于所述目标NV色心的极化状态以及能级态的改变，以及所述目标电子的极化状态以及能级态的改变，获取待测目标的顺磁共振谱。

【技术特征摘要】
1.一种零场顺磁共振的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：提供探针装置，所述探针装置包括金刚石基材以及位于所述金刚石基材内的NV色心；在所述金刚石基材表面放置待测目标；在所述金刚石基材中选择一个目标NV色心，使得共聚焦显微镜光路出射的激光脉冲聚焦在所述目标NV色心上；在外界磁场为零的条件下，通过预设的激光脉冲和微波脉冲，对所述目标NV色心以及所述待测目标中的目标电子的极化状态以及能级态进行调节，基于所述目标NV色心的极化状态以及能级态的改变，以及所述目标电子的极化状态以及能级态的改变，获取待测目标的顺磁共振谱。2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述提供探针装置的制备方法包括：提供一金刚石基材；对所述金刚石基材进行离子注入，在真空环境下退火，在所述金刚石基材内形成NV色心。3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，在所述金刚石基材中选择一个目标NV色心，使得共聚焦显微镜光路出射的激光脉冲聚焦在所述目标NV色心上包括：将所述金刚石基材固定在辐射结构的辐射表面；所述辐射结构用于通过所述辐射表面辐射微波脉冲；调节所述辐射结构与共聚焦显微镜光路的相对位置，使得所述共聚焦显微镜光路出射的激光脉冲能够照射到所述金刚石基材的表面，且使得所述共聚焦显微镜光路能够收集所述金刚石基材中NV色心产生的荧光；扫描收集所述金刚石基材出射的荧光，获取NV色心所产生荧光的二维图，测量NV色心的拉比震荡频率和自旋锁定弛豫时间，基于测量结果确定所述目标NV色心；调节所述辐射结构与所述共聚焦显微镜光路的相对位置，使得共聚焦显微镜光路出射的激光脉冲聚焦在所述目标NV色心上。4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述NV色心在实验室坐标系下的能级结构包括|±1>态和|0>态；所述NV色心在微波场的旋转坐标系下的能级结构包括三个能级，该三个能级依次为态、态和态，该三个能级中相邻两个态的能级间隔为Ω/2，Ω＝γe·B1，B1是微波场强，γe是电子旋磁比；获取所述待测目标的顺磁共振谱的方法包括：根据预期的谱线分辨率，选择预设的扫描步长，在预设扫描范围内从低至高依次测量不同微波功率对应的荧光计数；从低至高依次测量所选微波功率对应的荧光计数；绘制微波功率与荧光计数的关系图，基于该关系图获取所述顺磁共振谱。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜江峰，王哲成，孔飞，赵鹏举，郑斌，王鹏飞，石发展，荣星，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34