使用固态自旋系统的样品的并行磁感测技术方案

本文公开一种用于并行磁感测多个样品的传感器芯片、一种用于并行磁感测多个样品的系统以及一种使用光学可寻址固态自旋系统探测多个样品的方法。传感器芯片包括光学透明衬底，该光学透明衬底包括多个光学可寻址固态自旋系统，该多个光学可寻址固态自旋系统布置在衬底的顶表面下方的表面层中的多个感测区域中。传感器芯片还包括多个样品位点，其中，每个样品位点布置在相应的感测区域上方。传感器芯片具有光导系统，其配置为通过连接感测区域中的每一个的衬底来提供光路。的每一个的衬底来提供光路。的每一个的衬底来提供光路。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用固态自旋系统的样品的并行磁感测


[0001]本专利技术属于化学分析和医学诊断领域。特别地，本专利技术涉及一种使用光学可寻址固态自旋系统并行磁感测多个样品的传感器芯片。

技术介绍

[0002]样品的高通量并行分析对于化学、生命科学和医学中的许多应用是必不可少的。例如可以在包括多个微流体样品井的微流体芯片上进行这种实验，微流体芯片中可以同时提供和处理大量样品。然而，由于所涉及的样品体积小，这些实验迄今为止局限于诸如荧光光谱法或质谱法的高度灵敏的检测技术。
[0003]核磁共振(NMR)光谱法可以在分子水平和分子动力学上解析结构，也可以定量、无损分析样品。然而，与上述方法相比，NMR光谱法通常需要更大的样品和昂贵的装置，这迄今为止阻碍了样品的大规模并行化分析。
[0004]近年来，在将量子技术用于各种感测应用方面取得了迅速的进展。其中突出的示例是金刚石中的氮
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空位(NV)中心，参见例如R.Schirhagl等，Annu.Rev.Phys.Chem.65，83
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105(2014)和A.Boretti等，Beilstein J.Nanotechnol.10，2128
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2151(2019)。这些点状缺陷构成了显示出具有电子和自旋自由度的原子状能量谱的多功能量子系统，其对外部电场和磁场起反应并且还可以用光和微波来操纵。因此，NV中心例如可以用作具有用于检测磁场的光学读出的纳米级磁力计。例如，如D.R.Glenn等，自然(Nature)555，351r/>‑
354(2018)和WO2018/052497A2所报道的，这例如可以在皮升体积上执行NMR光谱法，并且如例如WO2018/128543A1中所描述的，可以记录单次激发磁共振波谱。
[0005]这种方法原则上可以扩展到多个样品，例如使用一系列选择性可寻址位点，位点中的每一个包括NV中心的集合，类似于H.Zhang等，npj Quantum Inf.3:31(2017)所描述的NV中心的集合。然而，由于在可用激光源的输出功率方面的限制、在高光强度下损坏样品和光学元件的风险以及与高激光功率相关的高成本和昂贵的光学元件，在多个位点处同时激发NV中心所需的激光功率阻止了在较多个位点处的并行测量。

技术实现思路

[0006]因此，本专利技术的目的是使用氮
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空位中心实现多个样品的高通量磁感测，同时避免过度的激光功率需求并防止对样品的损坏。
[0007]通过根据权利要求1的用于并行磁感测多个样品的传感器芯片、根据权利要求15的用于并行磁感测多个样品的系统、以及根据权利要求26的使用光学可寻址固态自旋系统探测多个样品的方法，实现了该目的。在从属权利要求中详细描述了本专利技术的实施例。
[0008]根据本专利技术的用于并行磁感测多个样品的传感器芯片包括光学透明衬底。多个光学可寻址固态自旋系统布置在衬底的顶表面下方的表面层中的多个感测区域中。传感器芯片还包括多个样品位点。每个样品位点都布置在相应的感测区域上方。此外，传感器芯片包括光导系统，该光导系统配置为提供通过衬底的光路，其中，光路连接感测区域中的每一
个。
[0009]固态自旋系统是具有自旋自由度的量子系统，布置或嵌入在固体主体材料中，其中，自旋自由度可以通过光学跃迁读出和/或操纵。特别地，自旋系统可以是表现得类似人造原子或分子的物体，即表现出原子或分子状能量谱并具有至少两种不同自旋状态的系统。自旋系统例如可以是晶体结构中的光学活性缺陷。在磁场存在的情况下，不同自旋状态的能级可以转换。此外，自旋系统例如可以在自旋系统的不同状态(例如自旋系统的电子状态)之间具有依赖于自旋状态的跃迁速率。因此，固态自旋系统可以例如通过确定自旋系统的状态之间的能量差和/或跃迁速率而用作磁场的探针。
[0010]固态自旋系统布置在位于衬底的顶表面下面的表面层中的感测区域中。表面层例如可以具有垂直于顶表面的在2μm和1000μm之间的厚度，在一个示例中在10μm和100μm之间。在一些示例中，表面层可以至少部分地形成衬底的顶表面。在其它示例中，一个或多个附加层可以布置在表面层和顶表面之间，例如如下详述的光学涂层和/或井层。在一些示例中，自旋系统可以被限制到感测区域，而在其它示例中，例如如下详述的，自旋系统可以分布在整个表面层上方。在一个示例中，感测区域可以垂直于顶表面延伸穿过整个衬底，即，感测区域/表面层垂直于顶表面的深度可以等于衬底的厚度。
[0011]衬底的至少一部分是光学透明的，特别是在与自旋系统的一个或多个跃迁相关的波长处，例如在与来自自旋系统的稳定或亚稳定状态的激发相关的吸收波长处和/或在与来自自旋系统的亚稳定或短寿命状态的衰减相关的发射波长处。在一些示例中，衬底可以至少在整个可见和/或近红外光谱中是透明的，例如在400nm和1600nm之间是透明的。
[0012]样品位点中的每一个布置在感测区域中的一个的上方。样品位点例如可以是微流体样品井，并且例如可以配置成容纳液体和/或固体样品，例如样品流体的微滴。样品流体例如可以包括溶解在其中的一种或多种物质。另外或或者，样品位点例如可以是亲水区域，例如传感器芯片和/或具有亲水涂层的衬底的表面上的区域。优选地，邻近样品位点的区域是疏水的，并且例如可以包括疏水涂层，从而例如将样品流体的微滴限制到亲水样品位点。在一些示例中，平行于顶表面的平面中的样品位点的尺寸可以适应于感测区域的尺寸，例如使得样品井的侧壁与相应的感测区域的边界对准。样品位点中的每一个例如可以具有平行于顶表面的在2μm和500μm之间的宽度或直径。样品井例如可以容纳在1皮升和1微升之间的体积。在一些实施例中，两个或更多个样品井可以彼此连接，和/或样品井可以连接到微流体系统或作为微流体系统的一部分，从而例如提供和/或去除样品井中的样品流体。在优选实施例中，例如如下详述的，样品位点和感测区域以规则图案布置，例如以具有恒定点间间隔的周期性一维或二维阵列布置。
[0013]光导系统配置为在感测区域之间提供光路，使得沿着光路传播的光依次穿过感测区域中的每一个至少一次。换句话说，所有的感测区域都沿着由光导系统提供的光路布置。特别地，光导系统可以配置为在感测区域之间为自旋系统的一个或多个吸收波长处的光提供光路。优选地，沿着光路传播的光穿过每个感测区域相同的次数，例如一次。在一些示例中，光路的一部分可以位于衬底外部。特别地，光导系统可以包括一个或多个诸如反射结构、光学涂层和/或波导的光学元件，该光学元件改变光沿着光路的传播。
[0014]在一些实施例中，例如由于从光导系统的反射元件的反射或由于光导系统的波导元件的弯曲部分或弯折部分，光路的至少两个段彼此不平行。特别地，非平行段中的每一个
可以布置在两个或更多个感测区域之间或在两个或更多个感测区域之间延伸。非平行段可以在衬底内或者可以至少部分地位于衬底外部。在一些示例中，光路可以另外包括一组或多组平行段。光路例如可以在一个或多个平面中形成周期性图案，例如在垂直于或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于并行磁感测多个样品(102)的传感器芯片(100、200、300、400、600、900)，所述传感器芯片(100)包括：光学透明衬底(104)，包括多个光学可寻址固态自旋系统，所述多个光学可寻址固态自旋系统布置在所述衬底(104)的顶表面(104A)下方的表面层(104
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I)中的多个感测区域(110)中；多个样品位点(106)，其中，每个样品位点(106)布置在相应的感测区域(110)上方；以及光导系统，配置为通过连接所述感测区域(110)中的每一个的所述衬底(104)来提供光路(112)。2.根据权利要求1所述的传感器芯片(100、200、300、400、600、900)，其中，所述光路(112)包括至少两个彼此不平行的段。3.根据权利要求1或2所述的传感器芯片(100、200)，其中，所述光导系统包括在所述衬底(104)的所述顶表面(104A)上、底表面(104B)上和/或侧面(104C、104D)上的一个或多个反射涂层(114、116、202、204)。4.根据权利要求3所述的传感器芯片(100)，其中，所述光导系统包括：二向色反射涂层(116)，在所述衬底(104)的所述底表面(104B)上，其中，所述二向色反射涂层(116)配置为反射在所述固态自旋系统的吸收波长处的光并且透射在所述固态自旋系统的发射波长处的光；和/或宽带反射涂层(114)，在所述衬底(104)的所述顶表面(104A)上，其中，所述宽带反射涂层(114)配置为反射在所述固态自旋系统的所述吸收波长处和所述发射波长处的光。5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器芯片(300、600)，其中，所述光导系统包括在所述衬底(104)的侧面(104C、104D)上或邻近所述衬底(104)的侧面(104C、104D)的一个或多个后向反射结构(302、606)，所述后向反射结构(302、606)中的每一个包括一对倾斜表面(302A、302B)，所述倾斜表面(302A、302B)配置为后向反射沿着所述光路(112)通过所述衬底(104)传播的光束。6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器芯片(300、600)，其中，所述光导系统包括沿着所述光路(112)布置在感测区域(110)之间的聚焦元件，其中，所述聚焦元件配置为重新聚焦沿着所述光路(112)传播的光束。7.根据权利要求6所述的传感器芯片(300)，其中，所述聚焦元件包括在所述衬底(104)的反射所述光束的表面(104C、104D)上的弯曲表面(302A、302B)。8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器芯片(400、900)，其中，所述光导系统包括在所述衬底(104)中的波导(402)，特别地，所述光导系统包括平面波导，所述平面波导配置为将沿着所述光路(112)传播的光限制在与所述衬底(104)的所述顶表面(104A)垂直的方向上。9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器芯片(200)，还包括在所述衬底(104)的底表面(104B)上的多个固体浸没透镜(206)，其中，所述固体浸没透镜(206)中的每一个布置在所述感测区域(110)中的相应一个的下方。10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器芯片(100、200)，其中，所述样品位点(106)是微流体样品井，形成在所述衬底(104)的所述顶表面(104A)中或者形成在布置在所
述衬底(104)的所述顶表面(104A)上的井层(108)中。11.根据前述权利要求中任一项所述的传感器芯片(200、300、400、600、900)，其中，所述感测区域(110)以二维阵列布置在所述衬底(104)的所述表面层(104
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I)中。12.根据前述权利要求中任一项所述的传感器芯片(200)，其中，在平行于所述顶表面(104A)的平面中，相邻感测区域(110)之间的距离(d2)是所述感测区域(110)的宽度(d1)的至少两倍。13.根据前述权利要求中任一项所述的传感器芯片(100、200、900)，其中：所述固态自旋系统遍布所述衬底(104)的整个所述表面层(104
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I)布置，并且连接所述感测区域(110)的所述光路(112)不与所述感测区域(110)外部的所述表面层(104
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I)相交；或者在所述感测区域(110)外部的所述衬底(104)中的所述固态自旋系统的密度比在所述感测区域(110)内的所述固态自旋系统的密度小至少100倍，优选为小至少1000倍，并且所述光路(112)的至少一部分在所述感测区域(110)之间的所述表面层(104
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I)内延伸。14.根据前述权利要求中任一项所述的传感器芯片(100、200、300、400、600、900)，其中，所述衬底(104)包括金刚石，并且所述固态自旋系统是金刚石色心，特别是氮
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空位中心。15.一种用于使用传感器芯片(502)并行磁感测多个样品(102)的系统(500)，其中，所述传感器芯片(502)包括：光学透明衬底(104)，包括多个光学可寻址固态自旋系统，所述多个光学可寻址固态自旋系统布置在所述衬底(104)的顶表面(104A)下方的表面层(104
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I)中的多个感测区域(110)中；所述系统(500)包括：安装件(504)，配置为容纳所述传感器芯片(502)；以及照明系统(506)，配置为通过所述衬底(104)将由激光源(508)生成的激光束耦合到光学照明路径(112)中，以激发所述感测区域(110)中的固态自旋系统，其中，所述照明路径(112)依次与所述感测区域(110)中的每一个相交。16.根据权利要求15所述的系统(500)，其中，所述照明路径(112)包括至少两个彼此不平行的段。17.根据权利要求16所述的系统(500)，其中，沿着所述照明路径(112)传播的所述激光束依次从以下平面反射：所述衬底(104)在所述感测区域(110)中的每一个的附近的所述顶表面(104A)；和/或与所述衬底(104)的所述顶表面(104A)垂直的表面，特别是所述衬底(104)的与所述顶表面(104A)垂直的侧面(104C、104D)。18.根据权利要求17所述的系统(500)，其中，所述反射中的至少一个通过在所述衬底(104)的表面(104A、104B、104C、104D)处...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德烈亚斯，
申请(专利权)人：慕尼黑科技大学，
类型：发明
国别省市：