Исследователи из Университета Южной Калифорнии разработали первый полностью интегрированный датчик на основе микросхемы, который выполняет спектроскопию электронного парамагнитного резонанса в импульсном режиме.
Студент-выпускник факультета электротехники Университета Южной Калифорнии (USC) Рэй Сан и его профессор Константин Сидерис разработали и продемонстрировали новый датчик, объединяющий непрерывный (CW) и импульсный электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) на одном чипе размером 1,5 на 2 мм.
Этот чип впервые позволяет проводить импульсную ЭПР-спектроскопию на портативной, высокоинтегрированной платформе.
Что такое ЭПР-спектроскопия?
Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), иногда называемая спектроскопией электронного спинового резонанса (ЭСР), напрямую обнаруживает радикалы — атомы или молекулы с неспаренными электронами. Когда радикалы помещаются в магнитное поле, электроны поглощают энергию микроволнового излучения на определённых частотах. Ученые изучают это поглощение, чтобы определить свойства радикалов.
ЭПР чаще всего используется в качестве аналитического метода для изучения радикалов, в том числе органических радикалов и комплексов, содержащих переходные металлы. В биохимии чувствительные к ЭПР молекулы, называемые спиновыми метками, используются для изучения структуры и динамики белков, клеточных мембран, ДНК и многого другого. ЭПР также можно использовать для обнаружения дефектов и определения характеристик материалов в полупроводниках и органических материалах. Он также получил распространение в квантовых вычислениях как метод управления кубитами, использующими электронные спины, и манипулирования ими.
Непрерывноволновая и импульсная ЭПР
Самый простой метод проведения ЭПР — это ЭПР в непрерывном режиме (CW), при котором для непрерывного возбуждения образца используются микроволны малой мощности. Для измерения спектра изменяется напряжённость магнитного поля или частота микроволн. ЭПР также можно проводить, импульсируя микроволновый сигнал.
Импульсы вращают намагниченность неспаренных электронов, подобно тому, как магнит отклоняет стрелку компаса, и анализируют полученную информацию для определения спектроскопических характеристик. Хотя CW-ЭПР проще в использовании и, как правило, обеспечивает более высокую чувствительность, чем импульсный ЭПР, импульсный режим позволяет получить гораздо больше информации о свойствах электронных спинов и их окружении по сравнению с CW-режимом.
ЭПР на чипе
Обычные спектрометры ЭПР представляют собой большие и громоздкие устройства, в которых используются энергозатратные сверхпроводящие электромагниты. В отличие от них, исследователи разрабатывают датчики ЭПР, в которых используются интегральные схемы и которые совместимы с миниатюрными постоянными магнитами. Миниатюрные портативные системы, использующие такие микросхемы, могут значительно уменьшить размер и стоимость спектроскопии ЭПР, что позволит использовать ЭПР в новых областях, например для мониторинга здоровья.
В датчиках ЭПР на основе микросхем используются встроенные катушки индуктивности для генерации возбуждающих микроволн и обнаружения отклика от радикала образца. Затем образец наносится непосредственно на поверхность микросхемы.
Хотя микросхемы ЭПР уже существовали до работы исследователей из Университета Южной Калифорнии, ни одна из них до сих пор не включала в себя возможности генерации и обнаружения импульсов для ЭПР в импульсном режиме. В исследовании исследователей из Университета Южной Калифорнии индуктор датчика был встроен в генератор на основе катушки индуктивности и конденсатора (LC) с управлением по напряжению (VCO) для генерации микроволнового сигнала частотой 14 ГГц. Такие генераторы, часто используемые в микросхемах ЭПР в непрерывном режиме, могут сталкиваться с проблемой быстрого включения и выключения VCO во время импульсной работы. Исследователи из Университета Южной Калифорнии внедрили инновации в схемы для достижения этой цели и генерации импульсов длительностью в наносекунды.
Перспектива портативной двухрежимной ЭПР
Двухрежимный датчик USC произведёт революцию в ЭПР-спектроскопии, одновременно поддерживая оба режима ЭПР-спектроскопии и значительно уменьшая размер и стоимость устройства. Портативная система ЭПР-спектроскопии сочетает в себе чип с небольшим постоянным магнитом на 0,5 Тесла, что позволяет проводить ЭПР-измерения с помощью только этой системы и ноутбука. Вся система помещается в обувную коробку, и, по оценкам исследователей, компактный форм-фактор системы в сочетании с возможностью массового производства полупроводниковых чипов снижает общую стоимость на три порядка по сравнению с традиционным оборудованием для ЭПР-спектроскопии.
В то время как в традиционных спектрометрах ЭПР используется одна чувствительная ячейка, чип USC уникально содержит две независимые чувствительные ячейки, каждая из которых поддерживает оба режима ЭПР. Это позволяет чипу проводить несколько экспериментов одновременно на разных образцах. Чтобы переключать режимы на обычных аппаратах ЭПР, пользователи должны перенастроить аппаратное обеспечение прибора или использовать совсем другие спектрометры. С другой стороны, элементы датчика ЭПР могут быть сконфигурированы для любого режима простым перепрограммированием чипа.
Миниатюрный спектрометр ЭПР открывает захватывающие перспективы в области медицины, где ЭПР используется для обнаружения и определения характеристик радикалов. Однокристальное решение может даже открыть путь к созданию недорогого портативного аналитического оборудования для использования в домах пациентов или в амбулаторных клиниках.
Sun и Sideris изначально представили этот чип на Международной конференции по твердотельным схемам (ISSCC) в феврале 2024 года. Недавно они опубликовали свою работу в журнале IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems.