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带有微流体金刚石量子传感器的二维(2-d)核磁共振(nmr)光谱
来源:赛斯维传感器网 发表于 2020/10/29

微流体预极化nmr设置。(a)比较水中质子的统计极化和热极化与检测量的关系。室温水质子密度为ρ= 6.7×1028 m-3。(b)预极化概念。通过使分析物流过永磁体(1.5-t halbach阵列)使电极预极化。随后将其穿梭到容纳在稳定的较低磁场(b0 = 13 mt,亥姆霍兹线圈)中的微流控芯片中,并通过nv nmr对其进行检测。(c)检测设置。预极化的分析物流到微流体芯片,在这里它通过流体开关(未显示)停止,并使用定制的落射荧光显微镜(数值孔径(na)约为0.8)检测nv nmr信号。一组八个梯度补偿线圈用于消除沿磁场方向的一阶和二阶磁场梯度。使用基于线圈的nmr磁力计和缠绕在主亥姆霍兹线圈上的低电感反馈线圈,可以暂时稳定磁场。(d)微流体芯片设置。该芯片是使用玻璃和粘合剂构建的。两条流体管线通向检测区域,一条流体由水组成(用于nmr线圈磁力计),另一条流体与分析物组成(用于nv nmr)。放置在nmr线圈磁力计和nv nmr传感器之间的射频(rf)激励回路可激发两个通道中的核自旋相干。nmr线圈磁力计由3毫米直径的线圈组成,该线圈缠绕在约10微升的水量中。将射频激励回路和nmr线圈磁力计彼此正交放置,以最大程度地减少串扰。印刷在玻璃芯片内部的铜微波(mw)线可对nv电子自旋进行自旋控制。(e)nv nmr几何形状。nv掺杂的金刚石膜(1毫米乘1毫米乘0.035毫米)位于与分析物接触的微流体通道(宽度:2毫米,高度:0.2毫米至1毫米)的表面上。激光照射(532 nm)从印刷的微波线上反射,并检测到荧光(650至800 nm)。有效的分析物检测量约为40 pl。图片来源:science advances,doi:10.1126 / sciadv.aaw7895 nv掺杂的金刚石膜(1毫米乘1毫米乘0.035毫米)位于与分析物接触的微流体通道(宽度:2毫米,高度:0.2毫米至1毫米)的表面上。激光照射(532 nm)从印刷的微波线上反射,并检测到荧光(650至800 nm)。有效的分析物检测量约为40 pl。图片来源:science advances,doi:10.1126 / sciadv.aaw7895 nv掺杂的金刚石膜(1毫米乘1毫米乘0.035毫米)位于与分析物接触的微流体通道(宽度:2毫米,高度:0.2毫米至1毫米)的表面上。激光照射(532 nm)从印刷的微波线上反射,并检测到荧光(650至800 nm)。有效的分析物检测量约为40 pl。图片来源:science advances,doi:10.1126 / sciadv.aaw7895


基于金刚石中氮空位(nv)中心的量子传感器由于其微米级的检测体积和基于非电感的样品检测要求,因此是核磁共振波谱的一种有前途的检测模式。存在的挑战是充分实现高光谱分辨率和浓度灵敏度,以用于皮克样本量的多维nmr分析。现在在有关科学进步的新报告中janis smits和美国和拉脱维亚高科技材料,物理与天文学系的跨学科研究团队通过在微流控平台上空间分隔实验的极化和检测阶段,解决了这一挑战。


他们实现了0.65±0.05 hz的光谱分辨率,与以前的diamond nmr研究相比,幅度提高了一个数量级。他们使用该平台对液体分析物进行了二维相关光谱分析,有效检测量约为40皮升。该研究小组将金刚石量子传感器用作在线微流体nmr检测器,这是在质量有限的化学分析和单细胞生物学中应用的重要一步。


核磁共振(nmr)光谱技术是用于各种科学学科中的成分,结构和功能分析的强大而完善的技术。在常规的nmr光谱中,信噪比(snr)强烈取决于外部场强(b 0)。随着光谱分辨率的提高,b 0也随之增加,从而推动了越来越大和昂贵的超导磁体的发展,以提高分辨率和snr,从而在过去25年中使磁场强度提高了两倍。


但是,即使b 0值较大,要检测微量体积,通常也需要同位素标记,浓缩样品和较长的实验时间。为了提高对小样本量的灵敏度,研究人员开发了微型感应线圈,该线圈允许一些进步,包括卵细胞的光谱学和体外诊断。对于单个哺乳动物细胞的代谢分析或纳入在线微流分析中,现有的灵敏度和检测极限仍不是最佳选择。作为一种替代的nmr检测策略,基于亚空位(nv)中心金刚石的量子传感器因其亚微米的空间分辨率和基于非感应的检测而出现。

核交流磁场投影幅度(在传感器体积上积分)作为水量的函数。有效检测体积(约40 pl)定义为核交流场投影幅度等于总有效样品体积的一半的体积。图片来源:science advances,doi:10.1126 / sciadv.aaw7895


科学家先前实施了该方法来检测核磁化的早期纳米级波动,以增强极化。他们使用粘性溶剂将频率分辨率提高至?100 hz,以获得在b 0 = 3 t(tesla)时发生大化学位移的分辨率。尽管可以通过增加检测体积(v)来进一步提高分辨率,但它们却以snr为代价。在目前的工作中,smits等人。报告了光谱分辨率的数量级改进,以实现?27 m s 1/2的浓度灵敏度。为此,他们在微流体装置中将实验的极化和检测阶段在空间上分开。


该研究小组使用强大的永磁体(1.5特斯拉)产生核自旋极化,并使用helmholtz线圈在13 mt处进行了检测,以简化将nmr线宽稳定在亚赫兹水平的任务。他们促进了将金刚石量子传感器用作低微波频率的在线微流体nmr检测器。改进允许smits等人。在有效检测量约40 pl(皮升)内对液体分析物进行二维(2-d)相关光谱(cosy)。研究人员打算将该平台与使用外部偏振剂的动态核极化技术相结合以及具有nv中心的潜在光学超极化技术,可在单细胞空间分辨率下以生理浓度进行代谢物的nmr光谱分析。


在实验设置中,smits等人。将流体分析物以高达50 μl / s的可变流速装在氦气加压的容器中。分析物的停留时间约为6s,比所研究分析物的自旋弛豫时间更长(例如,水≈3s的t 1),导致平衡极化约为5x10 -6。然后,分析物流入检测区域,以通过nv nmr进行鉴定。为了进行nv nmr检测,科学家使用了定制的落射荧光显微镜和在研究中制作的定向金刚石膜,在四个可能的nv轴上与设置中的磁场对齐。

预极化的nv nmr的表征。(a)同步读出脉冲序列。它由一系列xy8-n脉冲组成,这些脉冲对由处理核产生的交流磁场进行连续的相位测量。测得的荧光反映了核交流场投影的混叠形式。每2.5到4.25 s(流动1.25 s,其余用于检测)重复整个序列。(b)水(红色)和施加的2.5nt振幅测试场(蓝色)的nv nmr光谱(傅里叶变换的绝对值),有效采集时间为5.2 s(平均60条迹线;总测量时间为150 s) )。从处理后的光电探测器信号获得的nmr信号幅度以μv记录。磁场幅度的转换(以nt为单位)是从校准的测试场得出的。插图:本底噪声的sd显示abmin = 45 pt。根据这些数据,我们推断出最低可检测浓度为27 m s1 / 2(snr = 3)。加上所有的实验死区时间,浓度灵敏度约为45 m s1 / 2。(c)水的高分辨率nv nmr光谱(傅里叶变换的虚部)显示半峰全宽(fwhm)的线宽为0.65±0.05 hz。通过平均60条迹线(每条3 s长)获得数据。图片来源:science advances,doi:10.1126 / sciadv.aaw7895 65±0.05赫兹。通过平均60条迹线(每条3 s长)获得数据。图片来源:science advances,doi:10.1126 / sciadv.aaw7895 65±0.05赫兹。通过平均60条迹线(每条3 s长)获得数据。图片来源:science advances,doi:10.1126 / sciadv.aaw7895

smits等。制造了微流体芯片以容纳钻石传感器,该设备在载玻片上包含一个铜芯片以传送微波。科学家们还包括了钻石和反馈nmr线圈之间的射频(rf)激发回路,以及包围钻石传感器和接触分析物的微流体通道。他们设计了微流体端口,以将芯片中的外部分析物管结合在一起,并使用直径为20 μm的激光束通过35 μm厚的金刚石膜激发nv中心。


研究团队随后将一系列xy8-5微波脉冲序列应用于nv中心,以检测核交流场。他们使用去离子水确定仪器的灵敏度和光谱分辨率极限。为了优化光谱分辨率,他们调整了梯度补偿线圈,并通过获得各种流体分析物的质子nmr光谱来证明nv nmr光谱仪的功能。


例如,科学家在研究中获得了磷酸三甲酯(tmp)和1,4-二氟苯(dfb)化合物的特征nv nmr光谱。在建立了检测两种化合物亚赫兹分辨率和高信噪比(snr)的nmr光谱的潜力之后,他们使用该平台进行了二维cozy nmr光谱分析。为此,smits等人。进行了2-d cozy分析的两个变体以探测dfb(1,4-二氟苯)中的核相互作用,并使用spinach软件包进行了2-d nmr的所有模拟。

1d nmr。(a)水,(b)磷酸三甲酯(tmp)和(c)1,4-二氟苯(dfb)的时域(左)和频域(右)nv nmr信号。信号在约103条迹线上取平均,总采集时间约1小时。在时域数据上使用?1 khz带宽的带通滤波器,以实现更好的可视化。频域频谱显示了傅里叶变换的虚部。每个光谱都适合高斯函数(黑线)。对于tmp,我们将两条线的宽度限制为1:1的振幅比,并得出jhp = 11.04±0.06 hz。对于dfb,我们将所有三条线的宽度限制为等于1:2:1的振幅比,并得出jhf = 6.09±0.05 hz。图片来源:science advances,doi:10.1126 / sciadv.aaw7895。


已证明的亚赫兹分辨率和多维nmr技术可为在线联用分析,单细胞代谢组学和质量受限的药效学领域中金刚石量子传感器的使用铺平道路。smits等。目的在于获得高空间分辨率和落射荧光格式,以促进具有单细胞分辨率的细胞培养物的高通量化学分析和nmr成像。本装置的局限性包括在从微摩尔到毫摩尔体积的生理浓度下所需的平均时间。研究人员建议使用更高的磁场与现有方法相比,具有更长,更敏感的xy8-n微波脉冲序列可提高nmr灵敏度和光子收集效率。从长远来看,他们希望通过非侵入性光学超极化方法可以最大程度地提高灵敏度。

dfb的2d cozy nmr。(a)同核cozy脉冲序列,(b)模拟光谱,以及(c)dfb的实验nv nmr光谱。(d)在(e)模拟和(f)实验中,修饰的异核cozy序列均显示非对角峰。色标对应于2d傅立叶变换的归一化绝对值。垂直轴(f1-fref)对应于t1维度的频率,而水平轴(f2-fref)对应于t2维度的频率。在(c)中,使用了t1的14个值,以0.021-s的增量递增,直到0.294 s。总采集时间为22小时。在(f)中,使用了t1的16个值,以0.021-s的增量递增,直到0.336 s。总采集时间为25小时。在这两种情况下,t2采集的时间从0到1.25 s。所有模拟都是使用spinach软件包执行的。模拟和实验数据使用相同的窗口功能。图片来源:science advances,doi:10.1126 / sciadv.aaw7895。


使用13 mt的低外部场强(b 0)是该研究的另一个局限性,因为它限制了由于化学位移而解决光谱分裂的能力。该小组旨在使用当前的检测方案,通过将b 0增加至?0.25 t来提高化学位移的分辨率。此外,尽管nmr微流体传感器的有效检测体积约为40 pl,但科学家需要几毫升的分析物才能填充整个设备。因此,未来的微流控芯片可以小型化或省略预极化步骤,或者使用较小的微流控通道在较大的流体系统中进行检测。


通过这种方式,janis smits及其同事演示了将金刚石量子传感器用于微流体nmr应用。他们表明,与现有的钻石nmr研究相比,将极化和检测步骤分开可以使光谱分辨率提高一个数量级。科学家通过对流体分析物进行2-d nmr验证了该平台,并提出了其在多学科研究领域中的未来应用。


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