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本文介绍了一种利用金刚石中的氮空位（NV）中心作为量子传感器的光学广角核磁共振显微镜（OMRM）技术。该技术将 NMR 信号转换为光学信号，实现了在～235×150μm2 区域内～10μm 分辨率的成像，能提供多组分信息，有望在物理和生命科学领域广泛应用。
光学广角核磁共振显微镜的研究背景
显微镜技术在科学研究中至关重要，它能够帮助人们详细观察和理解微小结构或过程。在众多显微镜技术中，光学、红外和电子显微镜借助相机实现了显著的发展。相机的应用使得这些显微镜在检测速度和通量方面得到极大提升，通过并行测量，其检测效率远超传统扫描方法。然而，在核磁共振 / 成像（NMR/MRI）技术领域，相机的应用却面临困境。由于 NMR 信号本质上是一种磁信号，相机无法直接检测，这严重阻碍了其在 NMR/MRI 技术中的应用。
在本研究中，科研人员另辟蹊径，使用金刚石中的氮空位（NV）中心作为微型传感器，成功解决了这一难题。NV 中心具备独特的量子特性，能够将局部 NMR 信号转换为光学信号，而光学信号恰好可以被相机在实空间中检测到，从而实现了并行广角成像。这种方法与传统的 MRI 有着本质区别。传统 MRI 主要依靠磁场梯度来编码空间信息，操作较为复杂；而基于 NV 中心的方法则更为直接和高效。同时，与以往基于 NV 的研究相比，本研究采用高速相机对 NMR 信号进行频闪询问，这种方式能够实现时间分辨测量，为获取更丰富的信息提供了可能。此外，以往纳米级液态 NV - NMR 实验常受宽共振线的限制，而本研究成功克服了这一问题，为后续研究奠定了良好基础。
光学广角核磁共振显微镜的工作原理与实验设计
NMR 信号的产生源于原子核自旋，例如1H 原子核在射频（RF）脉冲的激发下，会围绕外加磁场 B0进动，并以拉莫尔频率发射 RF/NMR 信号。在本实验中，研究人员没有采用传统的感应检测方式，而是将样本放置在掺有 NV 中心的金刚石芯片上。通过对 NV 中心进行相干微波（MW）控制，使 NV 中心的电子自旋状态与 NMR 信号相互耦合。
值得一提的是，NV 中心的荧光强度与其自旋状态密切相关。当 NV 中心的自旋状态因与 NMR 信号耦合而发生变化时，其荧光强度也会相应改变，这样就巧妙地将 NMR 信号从磁信号转换为了光学信号。研究人员通过使用高速相机对 NV 金刚石的空间荧光强度进行成像，成功记录下经过转换的 NMR 信号，进而获得了局部 NMR 光谱的空间分布图。在这个过程中，每个相机像素都能并行记录光谱，无需额外的编码步骤或磁场梯度即可获取空间信息，大大简化了实验流程。
OMRM 显微镜的核心部件是一块约 500μm 厚的电子级金刚石，在其表面生长了一层约 10μm 厚的掺 NV 中心的金刚石层，这一薄层的厚度决定了显微镜的空间分辨率。为了更好地耦合绿色激发光（532nm），金刚石被精心抛光成梯形。实验中，使用激光光斑照射约 235×150μm2 的 NV 层区域，并将金刚石与定制设计的微流控玻璃芯片相结合。为了精确控制 NV 自旋状态，MW 脉冲通过放置在微流控芯片顶部的短路同轴电缆传输。整个探头由非磁性材料制成，安装在定制的高均匀永磁体中，以提供稳定的磁场环境。同时，利用高数值孔径、低磁性的物镜和管镜收集 NV 层的荧光，并将其成像到高速流式相机上，还使用长通滤波器过滤掉残留的激发光，以确保相机接收到的是携带信号的荧光。经过一系列精心设计和调试，该实验装置对 RF 信号的灵敏度达到了约 10 - 30nT Hz?1/2μm3/2 。
NV 量子传感在广角视野中的应用
在所有测量过程中，NV 中心的电子自旋状态首先通过激光激发进行光学初始化。随后，MW 脉冲序列被用于操纵 NV 自旋，以实现广角视野下的传感功能。而 NV 自旋状态的变化则通过光学成像的方式进行记录。在第一个实验中，研究人员着重确定了 NV 拉比频率，这一频率是检测 NMR 信号的脉冲序列的重要基础。通过逐渐增加 MW 脉冲的持续时间，并在 NV 共振频率下施加脉冲，研究人员成功地旋转了 NV 自旋状态，并提取了每个像素的自旋控制参数，这些参数对于后续检测 NMR 信号至关重要。
为了检测高频率分辨的 NMR 信号，研究人员采用了相干平均同步读出（CASR）脉冲序列。该序列基于精确计时的 π 脉冲串，通过将 π 脉冲的重复率与预期 NMR 信号频率的一半相匹配，实现 NV 中心自旋与 NMR 信号的有效耦合。这种耦合方式使得耦合幅度随 NMR 信号相对于 π 脉冲串的相位而变化。通过精确重复耦合和读出过程，原始 NMR 信号的频率会以混叠频率的形式出现在耦合幅度的变化中，而这一变化可以通过 NV 的光致发光进行光学检测。
在使用 CASR 脉冲序列检测 NMR 信号时，实时读出变得极为关键。这是因为 CASR 脉冲序列与衰减的 NMR 信号之间存在固有的同步要求。为了解决这一技术难题，研究人员采用了帧率高达数十 kHz 的高速流式相机，在本文的主要测量中，使用了 6000fps 的帧率。此外，研究人员还展示了对附近天线发射的约 3.56MHz 连续 RF 校准信号的检测能力。每个像素在时域中记录下光致发光（PL）在混叠 RF 频率下的振荡，经过傅里叶变换后，可以得到相应的频谱。通过对信号信噪比（SNR）进行彩色编码，能够直观地观察到检测效果。目前，视野范围受到拉比频率分布均匀性的限制，不过未来有望通过使用 MW 谐振器来改善这一情况。
光学广角核磁共振显微镜（OMRM）的应用
研究人员进一步利用 CASR 协议检测微流控结构中水样的 NMR 信号。在低磁场（~84mT）环境下，为了增强 NMR 信号，研究人员采用了 Overhauser 动态核极化（ODNP）技术，该技术能够将 NMR 信号提高两个数量级。实验中，RF 脉冲激发 NMR 信号，然后通过 CASR 脉冲序列进行检测。由于 NMR 信号在激发后具有有限的寿命（T2/T2* ），为了尽可能延长其寿命，研究人员使用了定制设计的永磁体提供高度均匀的磁场 B0 ，并精心选择非磁性组件制作探头。
在首次 OMRM 实验中，研究人员对微流控芯片中标注区域内的水的 NMR 信号进行成像，整个测量过程耗时约 14 - 16 小时（包括所有死时间）。通过对每个像素的时域数据进行傅里叶变换（FFT），并在所得频率图像上应用二维中值滤波，得到了单像素 NMR 光谱。对 NMR 信号的 SNR 进行彩色编码后，得到的 OMRM 图像能够清晰地描绘出充满水的微流控通道。此时，相机上的每个像素不仅编码了空间信息，还包含了完整的 NMR 光谱。当前，OMRM 的空间分辨率约为 10μm，主要受限于 NV 层的厚度（~10μm），这是由于 NV 与样本自旋之间的偶极相互作用导致的，并且这一结论与模拟结果以及使用更厚 NV 层进行的额外实验结果相符。相比之下，通过金刚石衬底成像所引入的光学像差对分辨率的影响较小。
OMRM 图像的多组分分析
为了更深入地分析 OMRM 图像，研究人员对每个像素经过 FFT 后的复数值 NMR 光谱进行洛伦兹函数拟合。通过这种方式，可以得到每个像素的 NMR 信号的振幅 S0 、相位 ?、频率 f0和线宽 Γ 等信息。为了确保分析结果的准确性，研究人员会去除原始数据 SNR 低于特定阈值的不可靠拟合结果。
以校准信号振幅为参考，对1H NMR 信号振幅 S0进行归一化处理，能够有效减轻激光和 MW 驱动不均匀性的影响，进而帮助研究人员重建微流控芯片的通道路径。由于自旋相互作用的偶极性质及其相关对称性，NMR 信号的振幅与 NMR 样本相对于 NV 中心的几何形状密切相关。在不同的微流控芯片区域进行测量时，研究人员发现通道与 NV 中心轴的相对取向会显著影响信号振幅的对称性，并且这一现象得到了模拟结果的有力支持。
NMR 信号的相位 ? 同样依赖于几何形状，在微流控通道中呈现出相应的变化。有趣的是，相位 ? 的梯度变化趋势与信号振幅 S0相反。信号频率 f0能够反映样本的拉莫尔频率，对于本实验中的水样（仅存在单一的1H 共振），f0可以精确测量视野内的局部磁场强度。研究人员在测量中观察到约 6nT/μm 的梯度，这表明存在宏观磁场梯度。此外，通过解析局部 NMR 线宽 Γ，可以获取质子弛豫时间的信息。研究人员发现 Γ 在视野内存在系统性变化，这可能是由磁化率失配引起的局部磁场梯度导致的。需要注意的是，由于永磁体的磁化强度会随温度变化，从而引起磁场 B0的缓慢漂移，因此实验数据需要进行相应的频率校正。在不同测量之间，得到的振幅和线宽值不具有直接可比性。
光学广角核磁共振显微镜的研究展望
本研究成功展示了微尺度光学广角 NMR 显微镜技术，该技术能够提供丰富的信息。目前，其空间分辨率受到 NV 层厚度的限制，约为 10μm。从技术层面来看，OMRM 技术的空间分辨率受到光学衍射极限和 NMR 灵敏度的制约，其中 NMR 灵敏度与每个像素中的 NV 中心数量成正比。在当前的实验设置下，虽然已经获得了约 10 - 30nT Hz?1/2μm3/2的灵敏度，但未来仍有很大的优化空间。随着技术的不断改进，实现单微米级的空间分辨率是可行的。
与以往的纳米级 NV - NMR 成像研究相比，本研究的光谱分辨率约为 3ppm，仅受样本相干时间的限制。目前，实验主要受到磁场均匀性和稳定性的制约，不过通过进一步的工程优化，例如使用超导磁体，这些问题有望得到显著改善。未来，研究人员期望通过结合（T1和 T2）弛豫、扩散以及（多核）高光谱分辨率光谱等技术，获取更丰富的信息，实现基于像素的化学成像，为高度并行化的 NMR 分析提供有力支持。
综上所述，本研究将光学广角显微镜技术与 NMR 光谱技术有机融合，充分发挥了两者的优势。光学成像的高速和高空间分辨率，与磁共振方法所提供的独特且全面的化学和物理信息相结合，为微观世界的研究开辟了新的道路。在未来，该方法有望在单细胞（代谢组学）分析、组织研究、高通量 NMR 光谱以及材料科学等多个领域得到广泛应用，为相关研究提供前所未有的见解。
