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多波段脉冲单自旋磁共振谱仪研制,国产科学仪

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多波段脉冲单自旋磁共振谱仪研制,国产科学仪

不到3年,技术成果转化估值10亿

导读:该谱仪实现了单核自旋量子态的探测,能够直接测量原子尺度上单个物质单元的组成、结构及动力学性质,获取被系综统计平均掩盖的个体单元独特信息,在单量子水平上更本质理解物质的结构与性质,因此在物理、信息、生物等多学科前沿领域获得重要应用。 6月15日,中国科学技术大学承担的国家重大仪器研制项目(部门推荐) “多波段脉冲单自旋磁共振谱仪研制”结题验收会在合肥召开。国家自然科学基金委员会(以下简称“基金委”)相关负责人、中科院条件保障与财务局相关负责人、项目验收专家组、项目监理组、技术验收组、财务验收组、档案验收组、中国科学技术大学相关负责人、项目组全体成员等50余人参加了验收会。验收会由基金委数理学部副主任董国轩主持。多波段脉冲单自旋磁共振谱仪整机 项目验收专家组由14位专家组成,北京航空航天大学房建成院士和中科院微电子所刘明院士分别担任验收专家组组长和副组长。专家组首先听取了项目负责人、中国科学技术大学杜江峰院士关于“多波段脉冲单自旋磁共振谱仪研制”项目研制情况的报告。杜江峰院士带领项目组历时5年时间,实现了国际上首套多波段脉冲单自旋磁共振谱仪,包括多波段复合磁共振系统、微波与射频系统、光学共聚焦系统以及控制台系统等关键系统。该谱仪实现了单核自旋量子态的探测,能够直接测量原子尺度上单个物质单元的组成、结构及动力学性质,获取被系综统计平均掩盖的个体单元独特信息,在单量子水平上更本质理解物质的结构与性质,因此在物理、信息、生物等多学科前沿领域获得重要应用。项目执行期间,采取“边研制边科研”的思路,取得了一系列重要研究成果,譬如在室温大气条件下获得了世界上首张单蛋白质分子的磁共振谱,被《科学》杂志选为当期亮点并配以专文报道,被评价为“是通往活体细胞中单蛋白质分子实时成像的里程碑”。项目组发表SCI论文67篇,其中包括Science 2篇,Nature 1篇、Nature子刊8篇和PRL15篇。相关科研进展获得2015年中国分析测试协会科学技术奖特等奖和2015年度中国科学十大进展。通过该项目,中国科学技术大学形成了一支年轻有活力的磁共振科学仪器研制团队。 验收专家组还听取了监理组报告、技术测试验收报告、财务验收报告、档案验收报告,其中项目技术测试、财务验收、档案验收是5月10日由基金委组织专家先期完成的。随后,验收专家组和基金委相关领导一起现场考察了仪器设备运行情况。专家组对项目研制工作给予了高度评价,一致认为项目组全面完成了项目工作,取得了突出进展。 验收会由基金委副主任谢心澄院士带队,参加验收会的还有计划局项目处谢焕瑛处长、数理科学部物理科学一处倪培根副处长,中国科学院条件保障与财务局副局长曹凝,项目依托单位中国科学技术大学副校长朱长飞等。 标签: 光谱仪

这种新方法避开了非零场下谱线展宽的干扰,可以直接在纳米尺度研究待测目标的能级结构,使得零场顺磁共振技术在单分子尺度上的应用成为可能。之前已经有研究表明,电子自旋标签的超精细常数对分子所处的局域环境的电学性质十分敏感,使用这一方法未来有望在单个分子尺度研究这种局域性质。另外,该方法也可以用于解析电子-电子相互作用,如果在单个分子上标记多个自旋标签,可以实现单分子的结构解析。

贺羽总经理曾经说过,面向研究的装备领域虽然并不大众,但容纳若干家“独角兽”绰绰有余。国仪量子围绕量子技术及其应用研究领域,短短3年内打造出一系列产品,尤其是金刚石量子计算教学机2019年成功销售20多台,在中国仪器领域研究成果的产业化道路上初战告捷。“国产科学仪器腾飞行动”之“创新100”项目期待国仪量子早日取得更大成功。

在该工作中,杜江峰团队针对零场顺磁共振目前的困境,另辟蹊径,采用了高灵敏度的金刚石NV色心量子传感器和新颖的量子探测方法,来实现零场顺磁共振。金刚石NV色心是一种固态的自旋量子体系,因其在量子调控方面的优秀性质,在量子计算和量子精密测量方面有着重要的应用前景。尤其是量子精密测量方向,近十年来发展迅猛,已经实现了单个生物分子的非零场顺磁共振(杜江峰团队,Science 347, 1135 。NV色心量子传感器之所以具备如此超高灵敏度的磁探测能力,一方面是因为NV色心尺寸极小,可以将NV色心放置得离待测目标足够近;另一方面是因为NV色心采用量子干涉仪的探测原理,可以将微弱的磁信号转化为量子态的相位信息来读出,灵敏度非常高。基于NV色心的微观磁共振能够达到纳米级的空间分辨率和单个核自旋的高灵敏度,被认为是对传统磁共振技术的革命性突破。

接2连3,从nv色心量子技术到量子钻石原子力显微镜

由中国科学院院士、中国科学技术大学教授杜江峰领导的中国科学院微观磁共振重点实验室提出并实验实现了一种基于金刚石氮-空位色心量子传感器的新零场顺磁共振方法,打破了传统顺磁共振信号强度对热极化的依赖,将零场顺磁共振的空间分辨率从厘米量级提升至纳米级,为零场顺磁共振的实用化开启了一条新途径。该研究成果以Nanoscale zero-field electron spin resonance spectroscopy 为题,发表在4月19日的《自然-通讯》上[NatureCommunications 9, 1563 ]。

(4) 企业科学仪器产品的年产值在3000万元以下;

非零场顺磁共振谱的对比图。可以看出与非零场下谱峰位置依赖分子取向不同,零场下谱线位置始终不变,使得不同取向的分子的叠加信号保持清晰。

(5) 企业需是中国仪器仪表行业协会、中国仪器仪表学会、仪器信息网会员之一。

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近日,仪器信息网“创新100”项目走访团队来到国仪量子技术有限公司,国仪量子总经理贺羽、副总经理张伟、sem营销主管蒋轶佳、行政人事部总监贺成芬等接待了调研组。

中科院微观磁共振重点实验室博士生孔飞和赵鹏举为该文并列第一作者,教师石发展和杜江峰为该文并列通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和安徽省的资助。

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但是,以往使用的基于NV色心的顺磁共振技术并不能直接应用到零场情形,因为它需要对目标自旋进行精确操控,这在零场下十分困难。在该工作中,研究人员提出一种新的方法,用精心设计的微波脉冲连续驱动NV色心,通过改变驱动功率可以连续调控NV的能级劈裂,当其和目标自旋的能级劈裂匹配时会产生共振信号,过程中并不涉及对目标自旋的任何操控。实验上,研究人员成功实现了对NV色心周围15纳米范围内的约4个金刚石内部电子自旋的零场检测,获得了清晰的零场顺磁共振谱,并从中直接提取了目标自旋的超精细常数。

为助力国产科学仪器发展,筛选和扶持一批优秀的科学仪器产品和企业,在中国仪器仪表行业协会、中国仪器仪表学会、北京科学仪器装备协作服务中心等单位的支持下,由仪器信息网主办、我要测网协办的“国产科学仪器腾飞行动”于2013年9月5日正式启动。

电子顺磁共振是当代重要的物质科学研究手段。例如,对于自旋标记的生物分子样品,可通过顺磁共振技术获取分子的动力学、结构等重要信息。这些信息主要源于电子自旋的精细和超精细结构,它们均可以从顺磁共振谱中提取。但是由于磁场的存在,不同取向的分子会有不同的共振峰,从而不可避免地会引起谱线的非均匀展宽,使信息的获取变得困难。目前技术发展的一个方向是通过不断提高的强磁场来部分去除这种展宽的影响,但存在技术挑战且成本高昂。而另一种简单直接的方式是不加磁场,此时自旋系统的能级结构只取决于系统的内禀相互作用,不再与分子取向有关,原则上可以完全移除非均匀展宽。这种称之为零场顺磁共振的方法在几十年前就已经提出,但是受探测原理限制,传统顺磁共振谱仪的探测灵敏度依赖于磁场大小,在零场下的探测灵敏度极低,往往需要厘米尺寸的样品量来累积足够大的热极化下的磁信号,极大地限制了零场顺磁共振方法的应用。这导致该方法几十年来止步不前,并未获得广泛应用。

2015年,杜江峰院士领衔的研究团队创造了一项惊艳世界的研究成果:利用钻石中的氮-空位点缺陷作为量子探针,将量子技术应用于单个蛋白分子研究,在室温大气条件下获得了世界上首张单蛋白质分子的磁共振谱。也是在2015年,杜江峰当选中国科学院数学物理学部院士。围绕nv色心量子技术,国仪量子推出了量子钻石单自旋谱仪、金刚石量子计算教学机和以及量子钻石原子力显微镜。

为秉承“国产科学仪器腾飞行动”宗旨,在中国仪器仪表行业协会的指导下,仪器信息网于2018年启动“国产科学仪器腾飞行动”之“创新100”项目,筛选一批具备自主创新能力的中小仪器厂商,通过公益性的报道、走访、调研,在企业发展的关键时期“帮一把”,助力国产仪器中小厂商腾飞发展。

二、“创新100”申报流程

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