我室提出并实验实现了一种基于金刚石NV色心的二维纳米尺度核磁共振的方法。该研究成果以“Structural Analysis of Nuclear Spin Clusters via 2D Nanoscale Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy”为题，于2020年1月发表于《Advance Quantum Technologies》[Advanced Quantum Technologies, 1900136 (2020)]杂志上。

分子结构解析在生物学、化学和医药学等学科上发挥着巨大的作用。核磁共振技术可以在室温下快速、无损地获取材料的结构信息，是目前研究材料结构的最有效的工具之一。然而，传统核磁共振技术需要大量分子组成的系综样品进行检测，这将平均掉单分子特有的性质。要实现单分子的结构解析，亟需新的技术手段。近年来，金刚石体内的氮-空位（NV）色心作为高灵敏度和高分辨率的磁量子传感器，可以达到探测单个核自旋的灵敏度要求，在一维纳米尺度实现了单分子磁共振和系综样品的化学位移和J-耦合检测。二维纳米尺度核磁共振谱学技术的发展是其关键的一步。

我室利用NV色心作为自旋磁信号的量子传感器，早期工作成功探测到了金刚石体内的13C核自旋对[nature physics 10, 21 (2014)]。近期，通过类比传统核磁的COSY光谱序列，提出了一个基于NV色心的二维关联谱序列，在实验上得到了一对13C核自旋的纳米二维核磁共振谱。通过谱学分析得到了两个C-C原子间的距离，和该核自旋对的精确位置。进一步，提出了一种单分子异核检测的关联谱序列，可以同时观测到多种核自旋及它们间的耦合，理论上可以实现原子级分辨率的结构解析。该工作在室温下首次实现了纳米尺度的二维核磁共振谱检测，向实现细胞原位的单分子结构解析迈出了重要的一步。

中国科学院微观磁共振重点实验室博士研究生杨志平为该文第一作者，杜江峰院士、石发展教授和孔熙副教授为论文的共同通讯作者。此项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和安徽省的资助。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/qute.201900136