科普干貨！脈沖EPR技術在量子傳感中的應用

自量子力學創立以來，科學家通過對量子行為的研究，研發出了核磁共振成像、激光、半導體等在內的眾多技術產品，對人類生活產生了重大影響。隨著技術進步，第二次量子革命蓬勃發展，利用量子精密測量技術實現的精密儀器使物理量的測量達到了前suo未有的分辨率和靈敏度。

何為量子傳感器？

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量子傳感器利用量子力學的原理和技術來測量一系列物理量。與經典傳感器不同，量子傳感器利用量子態的特殊性質（例如疊加態和糾纏態）來實現高精度、高靈敏度、高分辨率的測量。其測量的物理量包括磁場、電場、溫度、壓力、pH值、時間和頻率等。此外，量子傳感器還可以用于探測微小的物理效應，例如引力波、暗物質等，為天體物理等領域提供了新的測量手段。

量子精密測量技術

脈沖EPR技術簡介

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脈沖電子順磁共振 （pulsed EPR）是一種涉及到在恒定磁場中測量電子自旋凈磁化矢量的磁共振技術。在實驗中，通常施加一個短的振蕩場（比如微波脈沖）來對電子自旋磁化矢量的狀態進行擾動，然后測量由樣品磁化產生的微波發射信號，再將微波信號通過傅立葉變換在頻域中產生 EPR 頻譜，從而可以獲得有關順磁性化合物的結構和動力學信息，電子自旋回波包絡調制（ESEEM）或脈沖電子-核雙共振（ENDOR）等脈沖 EPR 技術還可以揭示電子自旋與其周圍核自旋的相互作用。與傳統的連續波EPR（CW EPR）相比，脈沖EPR在控制和測量樣品中的自旋態方面具有更高的靈活性和精度。

脈沖EPR技術在量子傳感中的應用

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在量子傳感中，我們可以以電子自旋為探針，來探測核自旋的相關信息。基于脈沖EPR的弛豫測量和超精細光譜法可以識別順磁粒子并對其濃度進行測量。其測量的原理為在脈沖EPR中，由于核自旋會影響電子自旋的T1（縱向弛豫時間）和T2（橫向弛豫時間），濃度會影響電子自旋與核自旋的平均相互作用強度，從而影響電子自旋的弛豫時間。因此通過監測電子自旋的T1和T2的變化可以推斷核自旋的濃度。同時，核自旋會調制電子自旋的進動頻率，從而可通過電子自旋來對核自旋進行表征。

Sun Lei課題組以有機量子比特的MOF材料（MgHOTP）為探針，通過電子與核之間的超精細耦合作用實現了室溫下溶液相中離子的量子傳感，可用于檢測環境中的化學分析物（Li+、Na+）并對其進行定量分析。研究人員將有機自由基嵌入MOF骨架中，在實現室溫可操作性的同時還能使有機量子比特與分析物通過吸附作用密切接觸。

圖1基于MOFs中的有機自由基的室溫量子傳感。(a)將具有有機量子比特的MOF顆粒懸浮在待測分析物的溶液中。(b)化學分析物被吸附到MOF中，并通過超精細耦合與嵌入的自由基相互作用。(c)基于超精細光譜可以識別與自由基量子比特相互作用的原子核，并進一步對化學分析物進行量化。

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

MgHOTP中的自由基表現為電子自旋量子比特，其量子態可以被外部磁場部分極化，使用微波脈沖操控，并通過電子自旋回波讀出。利用脈沖弛豫方法以及CP-ESEEM方法可對Li+進行檢測并定量，檢測范圍為5*10-3 mol/L-0.5 mol/L。

圖2 室溫下MgHOTP定量檢測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的部分時間域CP-ESEEM譜圖。(c) 不同τ值下CP-ESEEM的二維光譜。(d) MgHOTP在含不同[Li+] LiClO4的THF溶液中的頻域CP-ESEEM譜。(e) 2ω(7Li)/ 2ω(1H) ESEEM峰值比與[Li+]的關系。(f) MgHOTP在含0.1 mol/L NaClO4和不同濃度LiClO4的THF溶液中的頻域CP-ESEEM譜。

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

國儀量子

X波段脈沖式電子順磁共振譜儀

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國儀量子X波段脈沖式電子順磁共振譜儀EPR100是一款集連續波EPR、脈沖EPR、瞬態EPR為一體的多功能EPR譜儀，在支持連續波EPR實驗的同時，還可實現弛豫時間測量、電子-電子雙共振、電子-核雙共振等多類型脈沖實驗測試。

國儀量子X波段脈沖式電子順磁共振譜儀EPR100

隨著研發能力與產品工程化能力不斷提升，國儀量子目前已推出具有核心自主知識產權，商用化的X波段電子順磁共振波譜儀全系列產品：X波段脈沖式電子順磁共振波譜儀EPR100、X波段連續波電子順磁共振波譜儀EPR200-Plus、臺式電子順磁共振波譜儀EPR200M；并向前沿高duan技術的高頻譜儀進軍，研發出了W波段脈沖式電子順磁共振波譜儀EPR-W900。