中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實(shí)驗(yàn)室石發(fā)展、孔飛等人開發(fā)了基于金剛石量子傳感的并行加速電子順磁共振（ElectronParamagneticResonance, EPR）譜學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)了自由基光化學(xué)反應(yīng)動(dòng)態(tài)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測。這項(xiàng)成果最近以“Parallel Accelerated Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy Using Diamond Sensors”為題，發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上。

金剛石氮-空位（NV）色心具有納米尺度的單自旋EPR探測能力，但單自旋檢測通常耗時(shí)較長而難以觀測EPR譜的動(dòng)態(tài)變化過程。為解決上述問題，研究團(tuán)隊(duì)在前期所發(fā)展的零場磁共振技術(shù)[Nat.Commun.9，1563（2018）,Sci.Adv.6，eaaz8244（2020）]和原位磁共振技術(shù)[Nat.Commun.14，6278（2023）]的基礎(chǔ)上，開發(fā)了對目標(biāo)待測自旋分子朝向、NV色心朝向、操控場均勻性以及目標(biāo)自旋弛豫時(shí)間（即T1時(shí)間）均具有高容忍度的磁共振檢測技術(shù)，從而可以利用金剛石表面大量NV色心和待測自旋實(shí)現(xiàn)高效并行地檢測（如圖1所示）。該技術(shù)方法中，零場技術(shù)用于消除目標(biāo)自旋的取向依賴性譜線展寬，原位技術(shù)通過幅度調(diào)制微波序列同步調(diào)控大規(guī)模NV系綜的響應(yīng)頻率，交叉弛豫式探測技術(shù)用于提升并行測量靈敏度。當(dāng)前用17微米尺度范圍內(nèi)NV色心實(shí)現(xiàn)對納米厚度自由基信號的檢測，可以達(dá)到0.1秒的探測時(shí)間精度，該方法后續(xù)可以利用更大的如毫米尺度NV系綜體系進(jìn)一步提升探測效率。

圖1：并行加速探測方案。（a）金剛石NV色心探測電子自旋示意圖。（b）交叉弛豫探測原理示意圖。（c）基于交叉弛豫的EPR譜學(xué)探測原理示意圖。

基于上述方法，研究人員展示了生物化學(xué)領(lǐng)域常用的自旋標(biāo)簽氮氧自由基的零場超精細(xì)譜。受益于并行探測方法的高效性，譜線的時(shí)間變化信息能夠被提取出來，實(shí)時(shí)觀察到自由基EPR譜的動(dòng)態(tài)變化過程，包括信號峰面積逐漸減小、信號峰寬逐漸變窄（如圖2所示）。對該現(xiàn)象的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，EPR信號衰減速率所照射的光功率密度基本呈線性依賴關(guān)系，證明了這一動(dòng)態(tài)變化由光化學(xué)反應(yīng)引起。

圖2：氮氧自由基EPR譜動(dòng)態(tài)變化。（a）譜線實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果。（b）光淬滅過程示意圖。（c）信號峰面積的時(shí)間依賴曲線。（d）信號峰寬的時(shí)間依賴曲線

該成果為在納米尺度層厚的二維界面上高速并行探測電子自旋提供了新的譜學(xué)技術(shù)手段，有助于探測二維材料中的低豐度順磁自旋，有助于為研究界面上有自由基參與的生物化學(xué)反應(yīng)提供實(shí)時(shí)譜學(xué)信息，指導(dǎo)相關(guān)自旋標(biāo)簽探針的光淬滅機(jī)制的研究，有助于單分子實(shí)驗(yàn)自旋標(biāo)簽的前期篩選與優(yōu)化。

博士生黃哲華與趙正澤為論文共同第一作者，孔飛研究員與石發(fā)展教授為通訊作者。此項(xiàng)研究受到國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、科技部、新基石科學(xué)基金會(huì)等資助。