使用金刚石磁强计进行零场到超低场J谱学

在没有巨型磁体的情况下“看见”化学

核磁共振（NMR）是现代化学和医学的主力工具之一，但其背后的设备通常是体积庞大且昂贵的磁体。本文表明，可以用一片微小的金刚石芯片代替占据整间房间的磁体来捕捉同类的化学特异信号。这一转变为手持扫描仪打开了大门，使其能在拥挤的实验室、金属管道内部，甚至在活体组织旁边读取分子信息。

倾听原子的“广播电台”

NMR 的工作原理是把原子核视为微小的无线电发射体，其频率取决于化学环境。传统扫描仪用非常强的磁场来调谐这些信号。作者探索了一种不同的工作区间，称为零场到超低场 NMR，在那里基本没有外加磁场。在这种安静的环境下，信号不再依赖于巨大磁体，而是依赖于邻近核之间的内部耦合。由于磁环境比大磁体中更均匀，所得谱线实际上可以更窄，从而在样品形状不规则或环境复杂时也能提供高分辨率的分子指纹。

测量微弱磁性低语的金刚石

新平台的核心是一小片含有称为氮-空位（NV）中心缺陷的金刚石。这些缺陷表现得像超灵敏的罗盘，其取向可以通过激光光和微波读取。研究团队将金刚石加工成只有几百微米高的小截顶金字塔，并设计光学系统以高效收集来自 NV 中心的红色荧光。他们让金刚石在一种不需稳定背景磁场的特殊工作模式下运行，而是使用轻微振荡的磁场来保持传感器稳定，并将变化的磁场转换为可测的光信号。该装置达到了约十几皮特斯拉每平方根赫的灵敏度——足以听到每秒仅振动几次的核自旋进动。

不是增强磁体而是给样品“充能”

由于没有大磁体来放大核信号，研究者转而对样品本身进行超极化处理。他们使用氮同位素富集的乙腈，并将其与催化剂和一种称为对氢（parahydrogen）的特殊氢气混合。通过一种称为可逆交换的过程，氢气的有序自旋态被传递到乙腈中，显著增强了其核磁化强度。在将气体通入液体并产生气泡后，他们施加一个短脉冲磁场，然后在屏蔽的近零场区直接观测样品磁化强度的衰减。置于不足一毫米处的金刚石传感器检测到约一到几赫兹的清晰振荡，这些频率恰好对应分子中氢与氮原子之间的内部耦合模式。

与现有传感器的比较与极限探讨

为将金刚石传感器置于背景中，作者将其与同一屏蔽室内的一台最先进商业原子蒸气磁强计进行了比较。该蒸气电池在远距离低频信号上具有更好的原始灵敏度，但体积较大且带宽受限于数百赫兹。相比之下，金刚石可以被放置到距样品仅数十分之一毫米处，并可检测高达数百赫兹的信号，且不会被硬件滤波器截断。通过移动金刚石和蒸气传感器远近，研究团队跟踪了信号强度随距离的增长，并展示了金刚石的响应遵循期望的偶极行为，直到非常接近时传感器硬件产生的小量杂散磁场开始使谱线变宽。

从实验台走向现实世界的扫描仪

通俗地说，这项工作表明芯片大小的金刚石可以在某些类型的化学“监听”中替代笨重设备。借助本文使用的对氢方法等超极化技术——或其它提高核磁化强度的方案——相同的金刚石平台可以在零场或超低场下读取多种不同分子的信号。其紧凑体积、高带宽以及能紧贴微小样品的能力，使其成为便携式诊断工具的有力候选，可用于透过金属壁检测化学物质、监测工业反应或探测生物医学中的小体积样品，而无需巨型超导磁体。

引用: Omar, M., Xu, J., Kircher, R. et al. Zero- to ultralow-field J-spectroscopy with a diamond magnetometer. Commun Chem 9, 123 (2026). https://doi.org/10.1038/s42004-026-01962-3

关键词: 零场核磁共振, 金刚石磁强计, 氮空位中心, 超极化, 便携化化学传感