文獻(xiàn)快訊：Nat. Catal. 基于NV色心的自由基反應(yīng)原位顯微術(shù)

【成果掠影 & 研究背景】

在化學(xué)領(lǐng)域，對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行高靈敏度、高時(shí)空分辨率的原位觀測(cè)是一個(gè)長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。然而，傳統(tǒng)方法如電子自旋共振光譜缺乏空間分辨率，而光學(xué)成像通常需要引入熒光探針，限制了其廣泛應(yīng)用。特別是對(duì)于自由基這類壽命短、具有未配對(duì)電子的關(guān)鍵反應(yīng)中間體，實(shí)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)成像是巨大的挑戰(zhàn)。

為此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種名為量子傳感賦能化學(xué)原位顯微鏡（QCOM）的新方法。該方法利用金剛石中的氮空位（NV）色心作為原子級(jí)量子傳感器，將反應(yīng)引起的局部物理場(chǎng)變化（如磁噪聲）直接轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)成像對(duì)比度，無(wú)需引入外源探針。QCOM成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)二氧化鈦光催化水解過(guò)程中自由基生成的直接、定量、原位成像，其檢測(cè)靈敏度約為每個(gè)像素4個(gè)自由基，空間分辨率（半高全寬）約312納米，時(shí)間分辨率在10至240毫秒之間。研究意外地揭示了光催化過(guò)程中存在的時(shí)空順序激活效應(yīng)，為理解催化機(jī)制提供了新視角。

【創(chuàng)新點(diǎn) & 圖文摘要】

創(chuàng)新點(diǎn)：

• 方法論創(chuàng)新

  首次將固態(tài)量子傳感（NV色心）與寬場(chǎng)光學(xué)顯微鏡深度融合，創(chuàng)建了“量子傳感-化學(xué)反應(yīng)”界面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非熒光化學(xué)反應(yīng)的原位、動(dòng)態(tài)成像。

• 多物理量成像能力

  核心技術(shù)是通過(guò)測(cè)量NV色心的自旋縱向弛豫時(shí)間（T1）來(lái)成像。T1對(duì)自由基產(chǎn)生的磁噪聲極度敏感，使得該方法能間接但高靈敏地“看見”自由基反應(yīng)，并具備擴(kuò)展到成像溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等其它伴隨物理場(chǎng)變化的潛力。

• 高性能指標(biāo)

  同時(shí)滿足了高空間分辨率（~312 nm）、高時(shí)間分辨率（~10-240 ms）和高檢測(cè)靈敏度（~4個(gè)自由基/像素）這三項(xiàng)通常相互制約的指標(biāo)，突破了傳統(tǒng)觀測(cè)手段的局限。

• 定量與光譜識(shí)別能力

  通過(guò)與熒光探針?lè)▽?duì)比，建立了弛豫時(shí)間（T1）與自由基濃度的定量關(guān)系模型。進(jìn)一步，利用原位雙電子-電子共振（DEER）光譜，成功識(shí)別了反應(yīng)中生成的主要自由基物種為羥基自由基（·OH），并區(qū)分了不同溶劑環(huán)境下的自由基產(chǎn)物差異。

• 揭示新現(xiàn)象

  利用QCOM的時(shí)空分辨能力，在二氧化鈦光催化劑上觀察到了經(jīng)典的“時(shí)空順序激活”效應(yīng)。即催化劑上的活性位點(diǎn)并非同時(shí)被激活，而是像多米諾骨牌一樣，由一個(gè)先被激活的位點(diǎn)依次激活鄰近位點(diǎn)，相關(guān)特征距離約為295納米。這一發(fā)現(xiàn)更新了對(duì)光催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的傳統(tǒng)認(rèn)知。

• 系統(tǒng)集成與操作性

  自主搭建了集成微波控制、磁場(chǎng)施加、流體與溫度實(shí)時(shí)調(diào)控的原位反應(yīng)腔室，確保了化學(xué)反應(yīng)能在量子傳感器旁邊真實(shí)進(jìn)行，并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)觀測(cè)。

圖1：光催化反應(yīng)中自由基的量子傳感。

圖2：二氧化鈦光催化水解中自由基的定量成像。

圖3：時(shí)空順序激活效應(yīng)的觀測(cè)。

圖4：自由基的直接原位電子自旋光譜。

【總結(jié) & 原文鏈接】

總而言之，這項(xiàng)研究發(fā)展的QCOM技術(shù)，成功地將量子精密測(cè)量的高靈敏度與顯微成像的空間分辨能力相結(jié)合，為化學(xué)反應(yīng)的實(shí)時(shí)、原位觀測(cè)提供了一種全新的強(qiáng)大工具。它不僅能以高時(shí)空分辨率“看見”自由基的生成與分布，還能進(jìn)行定量分析和物種識(shí)別，更揭示了傳統(tǒng)方法難以捕捉的時(shí)空動(dòng)態(tài)新機(jī)制。這項(xiàng)工作標(biāo)志著量子技術(shù)在化學(xué)觀測(cè)領(lǐng)域邁出了重要一步，未來(lái)有望擴(kuò)展到更多伴隨局部物理場(chǎng)變化的化學(xué)反應(yīng)體系，從而全方位推動(dòng)對(duì)化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程的理解。

原文鏈接: https://doi.org/10.1038/s41929-026-01499-7

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