中国科学技术大学的自旋磁共振实验室团队，包括石发展和孔飞等成员，创新性地开发了一种基于金刚石量子传感的并行加速电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance, epr）谱学方法，用于实时监测自由基光化学反应的动态过程。这一研究成果已在《物理评论快报》上发表，题为“parallel accelerated electron paramagnetic resonance spectroscopy using diamond sensors”。
金刚石中的氮-空位（NV）色心能够进行纳米尺度的单自旋EPR探测，但由于单自旋检测时间较长，难以捕捉EPR谱的动态变化。为了克服这一挑战，研究团队在之前发展的零场磁共振技术[Nat.Commun.9，1563（2018）,Sci.Adv.6，eaaz8244（2020）]和原位磁共振技术[Nat.Commun.14，6278（2023）]的基础上，开发了一种新型的磁共振检测技术。这种技术对目标自旋分子的取向、NV色心的取向、操控场的均匀性以及目标自旋的弛豫时间（即T1时间）具有高度的容忍性，允许利用金刚石表面的众多NV色心和待测自旋进行高效并行检测（如图1所示）。在这种方法中，零场技术用于消除目标自旋取向依赖性的谱线展宽，原位技术通过幅度调制微波序列同步调控大规模NV系综的响应频率，而交叉弛豫式探测技术则提升了并行测量的灵敏度。目前，利用17微米范围内的NV色心可以检测到纳米厚度的自由基信号，探测时间精度可达0.1秒，该方法未来可通过使用更大如毫米尺度的NV系综进一步提高探测效率。
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图1：并行加速探测方案。（a）金刚石NV色心探测电子自旋示意图。（b）交叉弛豫探测原理示意图。（c）基于交叉弛豫的EPR谱学探测原理示意图。
利用上述方法，研究人员展示了生物化学领域常用的自旋标签氮氧自由基的零场超精细谱。得益于并行探测方法的高效性，研究人员能够提取出谱线的时间变化信息，实时观察到自由基EPR谱的动态变化过程，包括信号峰面积的逐渐减小和信号峰宽的逐渐变窄（如图2所示）。进一步研究发现，EPR信号的衰减速率与照射的光功率密度基本呈线性关系，证明了这种动态变化是由光化学反应引起的。
图2：氮氧自由基EPR谱动态变化。（a）谱线实时监测结果。（b）光淬灭过程示意图。（c）信号峰面积的时间依赖曲线。（d）信号峰宽的时间依赖曲线。
这一成果为在纳米尺度层厚的二维界面上高速并行探测电子自旋提供了一种新的谱学技术手段，有助于探测二维材料中的低丰度顺磁自旋，为研究界面上涉及自由基的生物化学反应提供实时谱学信息，指导相关自旋标签探针的光淬灭机制的研究，并有助于单分子实验自旋标签的前期筛选与优化。
博士生黄哲华与赵正泽为论文的共同第一作者，孔飞研究员与石发展教授为通讯作者。此项研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院、科技部、新基石科学基金会的资助。
