高通量单分子磁共振的测量装置以及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术实施例公开了一种高通量单分子磁共振的测量装置以及测量方法，其中，该测量装置中的激光产生元件出射的激光为多点激发光，且所述多点激发光的相位不完全相同，从而在激发所述金刚石样品中的NV色心时，可以同时激发位于所述多点激发光光路上的多个NV色心，实现一次测量多个NV色心，提高测量效率。另外，该装置各点激发光形成的光斑较小，从而在激发所述金刚石样品中的多个NV色心时，每点激发光照射的区域较小，实现以单个NV色心作为磁共振传感单元，空间分辨率较高，进而实现单个分子的信号的测量。

【技术实现步骤摘要】
高通量单分子磁共振的测量装置以及测量方法
本专利技术涉及磁共振测量
，尤其涉及一种高通量单分子磁共振测量装置以及测量方法。
技术介绍
金刚石中的氮-空位缺陷中心(即nitrogen-vacancycenter，简称NV色心)，已被证明在纳米尺度的磁场探测中有着显著的优势，如：NV色心的电子自旋自由度可以被微波调控，并通过光学的手段初始化和读出；NV色心在室温下的相干时间可以长达毫秒量级；NV色心是金刚石内部的一种点缺陷，本身大小只有埃量级，在共聚焦系统下定位精度可以达到纳米量级。2015年，石发展、张琪、王鹏飞等人利用NV色心在室温大气环境中测得首张单个蛋白质分子的磁共振谱(具体参见Science347，1135(2015))，率先实现了纳米尺度单分子磁共振探测，其测量方法包括：将蛋白质分子随机抛洒在金刚石表面，蛋白质分子将概率性地靠近NV色心；测量大量的NV色心信号，如果在该NV色心范围内恰好有待测的蛋白质分子，则该待测的蛋白质分子上的氮-氧自由基等标记会和NV色心发生偶极-偶极相互作用，改变NV色心的布居度，从而通过荧光读出NV色心的布居就可以得到该待测的蛋白质分子的信号，最终测到靠近NV色心的蛋白质分子的磁共振。但是，现有基于NV色心的磁共振谱测量装置的测量效率较低。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种高通量单分子磁共振的测量装置以及测量方法，能够同时测量多个NV色心的信号，实现多个NV色心荧光信号的同步收集，从而可以提高该测量装置的测量效率。为解决上述问题，本专利技术实施例提供了如下技术方案：一种高通量单分子磁共振测量装置，包括：激光产生元件，产生多点激发光，所述多点激发光的相位不完全相同；感测探头元件，包括具有多个NV色心的金刚石样品，所述金刚石样品中的多个NV色心在所述激发光的激发下产生荧光信号；荧光收集元件，用于收集所述多个NV色心在所述激发光的激发下产生的荧光信号，并区分不同NV色心对应的荧光信号；位置调节元件，用于调节所述激光产生元件、所述感测探头元件和所述荧光收集元件中至少一个的位置，使得所述金刚石样品的色心平面与所述多点激发光平面重合以及所述金刚石样品的荧光的光路方向与所述荧光收集元件的感光平面垂直；微波磁场产生元件，用于产生预设磁场和预设微波场，所述预设磁场的磁场方向与所述金刚石样品的NV轴重合，所述预设微波场用于操控所述金刚石样品中的NV色心的量子态。可选的，所述金刚石样品中所有的NV色心分布距离在所述金刚石样品表面20纳米范围内。可选的，所述多个NV色心中任意两个NV色心之间沿第一方向之间的距离小于10纳米，沿第二方向之间的距离大于系统的光学衍射极限，其中，所述第一方向垂直于所述金刚石的表面，所述第二方向平行于所述金刚石表面。可选的，所述激光产生元件包括：激光器、光隔离器、第一偏振片、声光调制器组、扩束系统、空间光调制器以及第一透镜系统，其中，所述激光器用于产生第一激发光；所述光隔离器用于阻挡所述光隔离器背离所述激光器一侧的激发光经反射进入所述激光器；所述第一偏振片用于将所述第一激发光的偏振方向调节至第一偏振方向；所述声光调制器组用于控制所述第一激发光的开关；所述扩束系统用于放大所述第一激发光的光斑，形成第一光斑，使得所述第一光斑覆盖整个所述空间光调制器的靶面；所述空间光调制器用于对所述第一激发光的相位进行调制，形成具有多个相位的第二激发光；所述第一透镜系统用于基于所述空间光调制器输出的多个相位的第二激发光，产生所述多点激发光。可选的，所述声光调制器组包括：多个声光调制器，以控制所述第一激发光的开关。可选的，所述第一透镜系统包括：第一透镜、滤光结构、第二透镜、双色镜和物镜，其中，所述第一透镜用于将具有多个相位的所述第二激发光汇聚，所述滤光结构位于所述第一透镜的焦平面上，用于阻挡所述第一透镜出射光中的零级衍射光，将汇聚的所述第二激发光中的零级衍射光过滤掉，形成第三激发光，所述第二透镜用于将所述第三激发光转换成平行的第四激发光射出，所述双色镜用于改变所述第四激发光的传输方向，使其进入所述物镜，所述物镜用于基于所述第四激发光形成所述多点激发光射出。可选的，所述金刚石样品中位于当前视野范围内的所有NV色心位置的确定方法包括：将当前视野范围划分为n个形状和大小相同的区域，利用所述空间光调制器产生n个激光光点，每个区域内有且仅有一个激光光点，且各光点在各自区域内的相对位置相同；改变所述空间光调制器的相位，使得每个区域内的激光光点同时扫描各自的区域，扫描中扫描到NV色心则标记并输出，记录该NV色心的位置，以获得当前视野范围内各NV色心的位置。可选的，所述位置调节元件包括第一位置调节元件、第二位置调节元件和第三位置调节元件中的至少一个，其中，所述第一位置调节元件用于调节所述感测探头元件在预设坐标系中的位置和角度中的至少一个，所述第二位置调节元件用于调节所述激光产生元件在所述预设坐标系中的位置和角度中的至少一个，所述第三位置调节元件用于调节所述荧光收集元件在所述预设坐标系中的位置和角度中的至少一个；其中，所述第一位置调节元件包括：角度调节元件和固定在所述角度调节元件上的空间位置调节元件，所述角度调节元件包括角度调节旋钮和用于固定所述角度调节旋钮的旋转承重板，所述空间位置调节元件固定在所述旋转承重板上，其中，所述空间位置调节元件用于调节所述感测探头元件在预设坐标系中沿X、Y、Z方向上的位置，所述角度调节旋钮调节所述感测探头元件在预设坐标系中的角度。一种高通量单分子磁共振测量方法，应用于上述任一项所述的高通量单分子磁共振测量装置，该测量方法包括：将携带有待测分子的感测探头元件固定在位置调节元件上，所述感测探头元件包括具有多个NV色心的金刚石样品；控制激光产生元件，产生多点激发光，所述多点激发光的相位不完全相同；调节所述激光产生元件、所述感测探头元件和荧光收集元件中至少一个的位置，使得所述金刚石样品的色心平面与所述多点激发光平面重合以及所述金刚石样品的荧光信号的光路方向与所述荧光收集元件的感光平面垂直；控制微波磁场产生元件产生预设磁场和预设微波场，使得所述预设磁场的磁场方向与所述金刚石样品的NV轴重合，并利用所述预设微波场操控所述金刚石样品中的NV色心的量子态；至少执行一次采集测量数据步骤，所述采集测量数据步骤包括：利用所述激光产生元件形成多点激发光射向所述感测探头元件，所述金刚石样品中的多个NV色心在所述激发光的激发下产生荧光信号；利用所述荧光收集元件收集所述多个NV色心在所述激发光的激发下产生的荧光信号，并区分不同NV色心对应的荧光信号，获得实验数据。可选的，所述测量方法包括：在第三预设条件下，判断所述荧光收集元件采集到的NV色心计数是否小于预设个数；如果所述荧光收集元件采集到的NV色心的荧光计数小于预设计数，则调节所述激光产生元件、所述感测探头元件和所述荧光收集元件中至少一个的位置，直至所述荧光收集元件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高通量单分子磁共振测量装置，其特征在于，包括：/n激光产生元件，产生多点激发光，所述多点激发光的相位不完全相同；/n感测探头元件，包括具有多个NV色心的金刚石样品，所述金刚石样品中的多个NV色心在所述激发光的激发下产生荧光信号；/n荧光收集元件，用于收集所述多个NV色心在所述激发光的激发下产生的荧光信号，并区分不同NV色心对应的荧光信号；/n位置调节元件，用于调节所述激光产生元件、所述感测探头元件和所述荧光收集元件中至少一个的位置，使得所述金刚石样品的色心平面与所述多点激发光平面重合以及所述金刚石样品的荧光的光路方向与所述荧光收集元件的感光平面垂直；/n微波磁场产生元件，用于产生预设磁场和预设微波场，所述预设磁场的磁场方向与所述金刚石样品的NV轴重合，所述预设微波场用于操控所述金刚石样品中的NV色心的量子态。/n

【技术特征摘要】
1.一种高通量单分子磁共振测量装置，其特征在于，包括：
激光产生元件，产生多点激发光，所述多点激发光的相位不完全相同；
感测探头元件，包括具有多个NV色心的金刚石样品，所述金刚石样品中的多个NV色心在所述激发光的激发下产生荧光信号；
荧光收集元件，用于收集所述多个NV色心在所述激发光的激发下产生的荧光信号，并区分不同NV色心对应的荧光信号；
位置调节元件，用于调节所述激光产生元件、所述感测探头元件和所述荧光收集元件中至少一个的位置，使得所述金刚石样品的色心平面与所述多点激发光平面重合以及所述金刚石样品的荧光的光路方向与所述荧光收集元件的感光平面垂直；
微波磁场产生元件，用于产生预设磁场和预设微波场，所述预设磁场的磁场方向与所述金刚石样品的NV轴重合，所述预设微波场用于操控所述金刚石样品中的NV色心的量子态。


2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述金刚石样品中所有的NV色心分布距离在所述金刚石样品表面20纳米范围内。


3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述多个NV色心中任意两个NV色心之间沿第一方向之间的距离小于10纳米，沿第二方向之间的距离大于系统的光学衍射极限，其中，所述第一方向垂直于所述金刚石的表面，所述第二方向平行于所述金刚石表面。


4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述激光产生元件包括：激光器、光隔离器、第一偏振片、声光调制器组、扩束系统、空间光调制器以及第一透镜系统，其中，所述激光器用于产生第一激发光；所述光隔离器用于阻挡所述光隔离器背离所述激光器一侧的激发光经反射进入所述激光器；所述第一偏振片用于将所述第一激发光的偏振方向调节至第一偏振方向；所述声光调制器组用于控制所述第一激发光的开关；所述扩束系统用于放大所述第一激发光的光斑，形成第一光斑，使得所述第一光斑覆盖整个所述空间光调制器的靶面；所述空间光调制器用于对所述第一激发光的相位进行调制，形成具有多个相位的第二激发光；所述第一透镜系统用于基于所述空间光调制器输出的多个相位的第二激发光，产生所述多点激发光。


5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述声光调制器组包括：多个声光调制器，以控制所述第一激发光的开关。


6.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述第一透镜系统包括：第一透镜、滤光结构、第二透镜、双色镜和物镜，其中，所述第一透镜用于将具有多个相位的所述第二激发光汇聚，所述滤光结构位于所述第一透镜的焦平面上，用于阻挡所述第一透镜出射光中的零级衍射光，将汇聚的所述第二激发光中的零级衍射光过滤掉，形成第三激发光，所述第二透镜用于将所述第三激发光转换成平行的第四激发光射出，所述双色镜用于改变所述第四激发光的传输方向，使其进入所述物镜，所述物镜用于基于所述第四激发光形成所述多点激发光射出。


7.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述金刚石样品中位于当前视野范围内的所有NV色心位置的确定方法包括：
将当前视野范围划分为n个形状和大小相同的区域，利用所述空间光调制器产生n个激光光点，每个区域内有且仅有一个激光光点，且各光点在各自区域内的相对位置相同；改变所述空间光调制器的相位，使得每个区域内的激光光点同时扫描各自的区域，扫描中扫描到NV色心则标记并输出，记录该NV色心的位置，以获得当前视野范围内各NV色心的位置。


8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述位置调节元件包括第一位置调节元件、第二位置调节元件和第三位置调节元件中的至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏飞，蔡明诚，郭忠智，石发展，杜江峰，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34