Surface-NMR with quantum sensors

带有量子传感器的表面核磁共振

基本信息

项目摘要

In recent years, color centers in diamond have been shown to be an outstanding atomic-scale sensor for magnetic fields. With these defects in diamond – more precisely nitrogen vacancy (NV) centers – nuclear magnetic resonance (NMR) signals from a few cubic nanometer sample volumes or even single protons have been detected. Although this innovative technique, originating from quantum optics, seems to be a very promising tool for chemical and life sciences, it has not been yet applied to solve scientific questions in these fields. Here, the diamond quantum sensors shall be used in an interdisciplinary research group to establish a surface sensitive NMR technology for (bio)chemical applications. In contrast to most of the previous studies in this field, which were based on single NV-centers, a high-dense NV-layer in diamond, located a few nanometers beneath the surface, will be used for this proposal, which increases sensitivity dramatically. This NV-layer probes NMR signals from a few nanometer-thick surface layer, which is not possible with traditional NMR methods. The surface NV-NMR technology shall be applied to three directions in chemical and life science applications: (1) Structural analysis of surface tethered molecules. Nanoscale NV-NMR results usually in broad resonance lines (kHz) due to short interaction times of the nuclear spin with the NV-sensor, as a consequence of the molecular diffusion of the sample. This diffusional line broadening will be overcome here by tethering molecules to the diamond surface, which will reduce the linewidth to 10-100 Hz. With this approach structures of surface immobilized catalysts shall be elucidated, a task which cannot be addressed with current methods. (2) Probing structure and dynamics of single lipid bilayers on the NV-diamond surface. After investigating surface supported lipid bilayers, the ultimate aim will be to determine membrane structures of living cells in a label free and microscopic way with NV-NMR. (3) Investigation of catalytic active surfaces. Thin platinum films on diamond will be sensed with NV-NMR and its material properties will be correlated with different film thicknesses. Moreover, surface molecular adsorption processes on platinum shall be probed. In summary, quantum sensors shall be established in chemistry for probing non-invasively (bio)molecular and material properties at surfaces, which cannot be addressed with traditional NMR techniques. This will be achieved through a unique and interdisciplinary combination of quantum technology and chemical (synthetic) methods.
近年来,钻石中的色心已被证明是一种出色的原子尺度磁场传感器。利用钻石中的这些缺陷--更准确地说,是氮空位(NV)中心--已经检测到了来自几个立方体纳米样品体积甚至单个质子的核磁共振(核磁共振)信号。尽管这项起源于量子光学的创新技术似乎是一种非常有前途的化学和生命科学工具,但它尚未被应用于解决这些领域的科学问题。在这里,钻石量子传感器将被用于一个跨学科的研究小组,以建立用于(生物)化学应用的表面敏感的核磁共振技术。与这一领域以前的大多数研究基于单个NV中心不同,这一提议将使用位于表面下几纳米处的高密度NV层在钻石中,这将显著提高灵敏度。这种NV层探测来自几个纳米厚的表面层的核磁共振信号,这是传统核磁共振方法不可能做到的。表面NV-核磁共振技术在化学和生命科学中的应用有三个方向:(1)表面束缚分子的结构分析。由于样品的分子扩散,核自旋与NV传感器的相互作用时间很短,因此纳米级的NV-核磁共振通常会产生宽的共振线(KHz)。这种扩散线展宽将通过将分子拴在钻石表面来克服,这将使线宽减少到10-100赫兹。用这种方法可以阐明表面固定化催化剂的结构,这是目前的方法不能解决的任务。(2)NV-金刚石表面单层脂双层的探测结构和动力学。在研究了表面支持的脂质双层之后,最终的目标将是用NV-核磁共振以一种无标记和微观的方式确定活细胞的膜结构。(3)催化活性表面的研究。利用NV-核磁共振技术可以检测到金刚石表面的铂薄膜,其材料性能与不同的薄膜厚度有关。此外,还应探索铂的表面分子吸附过程。总之,量子传感器应该建立在化学上,用于探测表面的非侵入性(生物)分子和材料属性,这是传统的核磁共振技术无法解决的问题。这将通过量子技术和化学(合成)方法的独特和跨学科组合来实现。

项目成果

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