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宽视场定量纳米磁共振成像。

Quantitative nanoscale MRI with a wide field of view.

机构信息

3rd Physical Institute, University of Stuttgart, Stuttgart, Germany.

Institute for Quantum Science and Technology, IQst, Baden-Württemberg, Germany.

出版信息

Sci Rep. 2019 Aug 21;9(1):12166. doi: 10.1038/s41598-019-47084-w.

DOI:10.1038/s41598-019-47084-w
PMID:31434907
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6704114/
Abstract

Novel magnetic sensing modalities using quantum sensors or nanoscale probes have drastically improved the sensitivity and hence spatial resolution of nuclear magnetic resonance imaging (MRI) down to the nanoscale. Recent demonstrations of nuclear magnetic resonance (NMR) with paramagnetic colour centres include single molecule sensitivity, and sub-part-per-million spectral resolution. Mostly, these results have been obtained using well-characterised single sensors, which only permit extended imaging by scanning-probe microscopy. Here, we enhance multiplexed MRI with a thin layer of ensemble spin sensors in an inhomogeneous control field by optimal control spin manipulation to improve ensemble sensitivity and field of view (FOV). We demonstrate MRI of fluorine in patterned thin films only 1.2 nm in thickness, corresponding to a net moment of 120 nuclear spins per sensor spin. With the aid of the NMR signal, we reconstruct the nanoscale depth distribution of the sensor spins within the substrate. In addition, we exploit inhomogeneous ensemble control to squeeze the point spread function of the imager to about 100 nm and show that localisation of a point-like NMR signal within 40 nm is feasible. These results pave the way to quantitive NMR ensemble sensing and magnetic resonance microscopy with a resolution of few ten nanometers.

摘要

使用量子传感器或纳米探针的新型磁传感模式极大地提高了磁共振成像 (MRI) 的灵敏度,从而将空间分辨率提高到纳米级。最近的顺磁色心核磁共振 (NMR) 演示包括单分子灵敏度和亚ppm 光谱分辨率。这些结果主要是通过经过良好表征的单个传感器获得的,这些传感器只能通过扫描探针显微镜进行扩展成像。在这里,我们通过最佳控制自旋操作来增强具有不均匀控制场的薄层集体自旋传感器中的多路复用 MRI,以提高集体灵敏度和视野 (FOV)。我们仅在 1.2nm 厚的图案化薄膜中演示了氟的 MRI,每个传感器自旋的净磁矩为 120 个核自旋。借助 NMR 信号,我们在基底内重构传感器自旋的纳米级深度分布。此外,我们利用不均匀的集体控制来压缩成像仪的点扩散函数,使其达到约 100nm,并表明在 40nm 内定位点状 NMR 信号是可行的。这些结果为具有几十纳米分辨率的定量 NMR 集体传感和磁共振显微镜铺平了道路。

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