本發(fā)明涉及用于分析在試樣中的物質(zhì)的設(shè)備，其中，該分析基于核磁共振的測(cè)量，以及涉及呼氣分析儀、燃料傳感器和用于分析在試樣中的物質(zhì)的方法。

背景技術(shù)：

核磁共振光譜儀（NMR光譜儀，核磁共振）是常常采用的辦法，以用于研究單個(gè)原子的電子周邊環(huán)境和原子彼此間的相互作用。在此，所述辦法基于所謂的核磁共振。就此，說明了在原子核（該原子核位于強(qiáng)大的靜態(tài)的磁場(chǎng)中）的磁力矩與高頻的交變磁場(chǎng)之間的共振的相互作用。在這里，材料試樣的原子核在恒定的磁場(chǎng)中吸收和發(fā)射電磁的交變場(chǎng)。借助于通過核自旋的磁力矩所造成的自旋精度的進(jìn)行表征的頻移，能夠例如推斷出在有機(jī)分子中的特定的同位素的化合狀態(tài)。核磁共振光譜儀在原則上能夠證明任意的有機(jī)化合物。但是，僅這樣的同位素能夠接近所述光譜儀，該同位素在基礎(chǔ)狀態(tài)中擁有不同于0的核自旋和由此擁有磁力矩。例如¹H和¹³C算作此。

在施加具有對(duì)于相應(yīng)的原子進(jìn)行表征的頻率的靜態(tài)的磁場(chǎng)時(shí)，所述磁力矩旋進(jìn)，該頻率一般在kHz和MHz之間的范圍中運(yùn)動(dòng)。它們因而發(fā)出在幾個(gè)pT范圍中的交變磁場(chǎng)。因?yàn)榻蛔儓?chǎng)的頻率除了原子位置也取決于原子的化合狀態(tài)，則所述原子的化合狀態(tài)導(dǎo)致在幾個(gè)Hz至1000 Hz的范圍中的頻移?；诖艌?chǎng)傳感器的受限的敏感性，此時(shí)僅帶有很大的磁場(chǎng)的實(shí)際實(shí)施是可行的，以便極化足夠多的自旋，從而在相應(yīng)的脈沖激勵(lì)中，能夠獲得足夠高的測(cè)量信號(hào)。所需的磁場(chǎng)（該磁場(chǎng)必須達(dá)到高達(dá)10T）能夠例如利用超導(dǎo)的磁體（該磁體利用液態(tài)氮冷卻）來提供。出于該原因，NMR儀器的微型化一般不可能。

國(guó)際專利申請(qǐng)WO 2012/016977 A2涉及一種用于基于鉆石來制造光學(xué)的元件的方法。作為這樣的光學(xué)的元件的可能的應(yīng)用，說明了一種磁力計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明優(yōu)勢(shì)

本發(fā)明提供了一種用于基于測(cè)量核磁共振來分析在試樣中的物質(zhì)的設(shè)備，該設(shè)備能夠用于多個(gè)應(yīng)用并且首先也能夠向著微型化開放。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備首先具有用于產(chǎn)生基準(zhǔn)磁場(chǎng)的器件，利用該基準(zhǔn)磁場(chǎng)來感應(yīng)在所述試樣中的物質(zhì)的原子中的磁共振。此外，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備具有至少一個(gè)磁場(chǎng)傳感器，該磁場(chǎng)傳感器的特征在于，它包括帶有鉆石結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)敏感的組件，其中，所述鉆石結(jié)構(gòu)具有氮空位中心（NV中心）。在所述鉆石結(jié)構(gòu)中的所述氮空位中心的特征在于能夠讀取的電子結(jié)構(gòu)，該電子結(jié)構(gòu)能夠通過磁場(chǎng)的作用進(jìn)行改變。這些改變能夠被測(cè)量，并且表現(xiàn)為對(duì)于分析在所述試樣中的物質(zhì)的基礎(chǔ)。本發(fā)明由此利用在鉆石中的NV中心的性質(zhì)，以用于測(cè)量核自旋-共振。通過使用具有NV中心的鉆石結(jié)構(gòu)，能夠提供很敏感的磁場(chǎng)傳感器，該磁場(chǎng)傳感器能夠測(cè)量在幾個(gè)pT范圍中的交變磁場(chǎng)，該交變磁場(chǎng)能夠作為核自旋-共振出現(xiàn)。從Jelezko等的科學(xué)公開（Phys. Stat. Sol. （a） 203、No. 13、3207-3225 （2006））中已知的是，在鉆石中的氮空位中心（NV中心）具有表征的電子結(jié)構(gòu)，該電子結(jié)構(gòu)通過利用微波射線的輻射和在視覺范圍中的輻射來激勵(lì)，并且通過偵測(cè)由所述NV中心發(fā)射的熒光能夠再次被讀取。所述電子結(jié)構(gòu)依賴于所述鉆石晶體的晶格常數(shù)以及還有磁場(chǎng)效應(yīng)。所述晶格常數(shù)由溫度和晶體應(yīng)力所影響，其中，所述晶體應(yīng)力例如能夠通過壓力作用來改變。發(fā)明人能夠示出的是，所述NV中心的電子結(jié)構(gòu)此外對(duì)于外部的磁場(chǎng)很敏感地起反應(yīng)。尤其，在相應(yīng)地讀取所述電子結(jié)構(gòu)時(shí)能夠利用高達(dá)100的敏感性來測(cè)量磁場(chǎng)。這種很敏感的測(cè)量原理尤其以特別的方式適用于偵測(cè)核磁共振，其中，能夠相比于目前常見的那樣，能夠利用明顯更弱的磁場(chǎng)來工作。

優(yōu)選地，所述根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的磁場(chǎng)傳感器具有用于耦合在視覺范圍中、尤其在在大約530 nm和大約570 nm之間的波長(zhǎng)范圍（可見光的綠色范圍）中的電磁的激勵(lì)輻射的至少一個(gè)器件和用于耦合在微波范圍中、尤其在在大約2000 MHz和大約4000 MHz之間的頻率范圍中的電磁輻射的至少一個(gè)器件。通過利用在視覺范圍中的電磁輻射的激勵(lì)和在微波范圍中的電磁的激勵(lì)，在所述鉆石結(jié)構(gòu)的NV中心里感應(yīng)了熒光發(fā)射，該熒光發(fā)射的譜依賴于起作用的磁場(chǎng)、尤其磁場(chǎng)強(qiáng)度。為了檢測(cè)所發(fā)射的熒光輻射，所述根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的磁場(chǎng)傳感器還具有用于偵測(cè)所發(fā)射的熒光輻射的至少一個(gè)器件。為了易化評(píng)估，另外優(yōu)選地設(shè)置了用于過濾電磁輻射的至少一個(gè)器件，其中，它在這里優(yōu)選指的是被集成到所述磁場(chǎng)傳感器中的光學(xué)的過濾層，其被設(shè)置用于從所發(fā)射的熒光輻射中過濾所述激勵(lì)輻射。

作為用于耦合在所述視覺范圍中的電磁輻射的器件，能夠例如采用LED（發(fā)光二極管）和/或VCSEL（垂直腔表面發(fā)射激光器）也即半導(dǎo)體激光器作為表面發(fā)射器。作為用于耦合在微波范圍中的電磁輻射的器件，能夠例如設(shè)置一種帶天線。所述帶天線能夠例如直接布置在所述敏感的組件上或者在空間上的對(duì)此的緊鄰附近中。為了偵測(cè)所發(fā)射的熒光輻射，優(yōu)選設(shè)置了光電二極管，例如被集成到所述傳感器中的p-n-光電二極管，其以特別的方式適用于微型化的應(yīng)用。

所述敏感的組件尤其指的是帶有NV中心的鉆石層或者相應(yīng)經(jīng)涂裝的膜片。所述鉆石結(jié)構(gòu)的NV中心能夠例如通過鉆石的NV摻雜來提供。

在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個(gè)尤其優(yōu)選的構(gòu)造方案中，所述磁場(chǎng)傳感器包括多個(gè)有待各自評(píng)估的敏感的組件的裝置。這所基于的是，所述偵測(cè)體積（圍繞NV中心的核自旋必須位于該偵測(cè)體積中）很小，例如在25 nm³的范圍中。通過綜合多個(gè)有待各自評(píng)估的敏感的組件（在一定程度上是多個(gè)NV傳感器），能夠因此改善所述可測(cè)量性。所述裝置（陣列）的大小能夠優(yōu)選地匹配至要求，尤其匹配至對(duì)于特定的有待證實(shí)的物質(zhì)或?qū)τ谔囟ǖ姆肿臃N類所需的濃度敏感性。

以優(yōu)選的方式，所述敏感的組件、也即所述敏感的組件的鉆石結(jié)構(gòu)（鉆石面）能夠具有用于表面增大的結(jié)構(gòu)，例如針狀的或者孔狀的結(jié)構(gòu)。經(jīng)此，能夠提供每個(gè)NV中心的偵測(cè)體積，因?yàn)橥ㄟ^結(jié)構(gòu)化所述鉆石面能夠提供這樣的結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)能夠由有待測(cè)量的試樣進(jìn)行包封。合適的表面能夠例如通過起反應(yīng)的離子刻蝕來提供，通過該離子刻蝕能夠尤其建立柱形地結(jié)構(gòu)化的鉆石尖部。

在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個(gè)另外的優(yōu)選的構(gòu)造方案中，所述敏感的組件具有毛細(xì)管結(jié)構(gòu)。對(duì)于幾個(gè)Hz的頻率分辨率，一般需要比較長(zhǎng)的測(cè)量持續(xù)期間。通過提供毛細(xì)管結(jié)構(gòu)在此達(dá)到的是，有待測(cè)量的試樣足夠長(zhǎng)久地、也即在幾秒的時(shí)間段中停留在所述NV中心的偵測(cè)體積中。通過在所述鉆石表面中的毛細(xì)管等的結(jié)構(gòu)化，能夠由此把所述液體試樣穩(wěn)固保持在所述NV中心的區(qū)域中。

在一個(gè)尤其適當(dāng)?shù)臉?gòu)造方案中，能夠給所述敏感的組件配設(shè)用于加熱和/或冷卻的至少一個(gè)元件，例如是能夠加熱的珀?duì)柼Ｍㄟ^加熱和尤其通過集成的加熱，能夠例如把試樣液從所述敏感的組件去除，也即氣化。如果例如設(shè)置了用于穩(wěn)固保持所述液態(tài)的試樣的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，則通過加熱所述敏感的組件在所述測(cè)量結(jié)束后能夠氣化該試樣。把加熱元件集成到所述根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備中還能夠用于磁場(chǎng)傳感器的再生，辦法是：例如在熱學(xué)上破壞和去除例如粘附的顆粒。以這種方式能夠執(zhí)行所述傳感器的重置。

所述敏感的組件的冷卻能夠是有利的，以便尤其在加熱所述敏感的組件之后再次提供經(jīng)限定的溫度，從而設(shè)定了經(jīng)限定的測(cè)量條件。所述敏感的組件的冷卻也能夠尤其對(duì)于這樣的應(yīng)用是有利的：在該應(yīng)用中，設(shè)置了氣態(tài)的試樣的凝結(jié)，在該試樣根據(jù)本發(fā)明被分析之前。在此，通過冷卻元件能夠?qū)崿F(xiàn)所謂的冷阱。

在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個(gè)另外的優(yōu)選的構(gòu)造方案中，所述設(shè)備包括用于電離所述試樣的器件。這所基于的是，鉆石表面、也即所述敏感的組件的表面一般擁有負(fù)的表面電荷。通過電離所述試樣，能夠有利于在被充電的鉆石表面處的表面吸附。所述試樣的電離能夠例如通過在所述設(shè)備的試樣輸入端的范圍中的強(qiáng)大的靜電場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)。所述試樣的電離尤其在氣態(tài)的試樣中有利。

有利地，還能夠設(shè)置的是，所述設(shè)備包括用于在所述敏感的組件處產(chǎn)生正電勢(shì)的器件。例如，通過將磁相關(guān)電阻（Feldplatte）安裝在所述鉆石表面的后側(cè)上，所述敏感的組件、也即鉆石層能夠在此期間來到較高的正電勢(shì)，從而在結(jié)束測(cè)量后，能夠?qū)崿F(xiàn)所述物質(zhì)從所述試樣中解除吸附和傳感器重置。為了保證穿過所述敏感的組件進(jìn)行的光學(xué)的進(jìn)入，此磁相關(guān)電阻能夠例如由透明的能夠傳導(dǎo)的氧化物組成，例如由氧化銦錫或鋁摻雜的氧化鋅組成。

所述根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備基于其較高的測(cè)量敏感性并且基于有待證實(shí)的物質(zhì)的波動(dòng)范圍（Bandbreite）以及基于由于本身很耐抗的材料所導(dǎo)致的所述設(shè)備的穩(wěn)健性而適用于多種應(yīng)用。尤其，所述根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備也能夠在很困難的條件下、例如在高溫中或者在起反應(yīng)的環(huán)境中得以采用。所述敏感的組件通過電磁輻射進(jìn)行的激勵(lì)和所述傳感器的光學(xué)的讀取此外實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用在難以接近的區(qū)域中，因?yàn)橥ㄟ^這種類型的激勵(lì)和讀取，不需要直接耦合到電子的元件處。

所述根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備能夠例如用于分析在食品制造和加工中的內(nèi)含物質(zhì)。利用根據(jù)本發(fā)明的分析設(shè)備，能夠例如證實(shí)和確定酒精含量、糖含量或者其它物質(zhì)的含量。

非常尤其有利地，所述根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備也能夠用于分析燃料和/或潤(rùn)滑劑和/或液壓油。在根據(jù)本發(fā)明的分析設(shè)備的一個(gè)優(yōu)選的構(gòu)造方案中，該設(shè)備指的是燃料傳感器、尤其燃料品質(zhì)傳感器。

通過在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的和與之相連的越來越復(fù)雜的系統(tǒng)組件（例如噴射器、廢氣后處理系統(tǒng)、燃燒室設(shè)計(jì)和馬達(dá)控制部）中的推進(jìn)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，存在對(duì)于燃料分析系統(tǒng)的提高的需求，該燃料分析系統(tǒng)能夠例如證實(shí)在燃料中的生物柴油、水、硫等的份額。關(guān)于燃料的類型和組成的可靠的信息對(duì)于匹配所述馬達(dá)控制部是重要的，尤其能夠優(yōu)化燃燒過程。越來越引起注意的是，例如這樣來利用內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)來裝備車輛，即該內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)不依賴于能夠裝入的燃料類型和品質(zhì)而遵循法律規(guī)定的廢氣極限值和標(biāo)準(zhǔn)（所謂的靈活-燃料-車輛Flexible-Fuel-Fahrzeuge）。對(duì)于這樣的車輛，尤其必要的是位于儲(chǔ)箱中的燃料的板載分析（On-Bord-Analyse）。

已知不同的燃料品質(zhì)傳感器，該燃料品質(zhì)傳感器基于的是，借助于所測(cè)量的吸收光譜而推斷出相應(yīng)的燃料的組成。這樣的燃料品質(zhì)傳感器卻要求可調(diào)節(jié)的光學(xué)過濾器的在技術(shù)上挑剔的和繁瑣的制造以及高花費(fèi)的光源，該光源對(duì)于吸收行為的光譜的分辨率是必要的。此外困難的是，所有的必要時(shí)在所述燃料中所包含的物質(zhì)能夠利用唯一的傳感器元件來檢測(cè)，因?yàn)椴皇撬械奈镔|(zhì)相同強(qiáng)度地影響在所述燃料中的光學(xué)吸收。采用用于分析在機(jī)動(dòng)車中的燃料的核磁共振光譜儀雖然到目前為止由于高的設(shè)備方面的花費(fèi)和尤其由于所需要的大的磁場(chǎng)而不可能，但是，根據(jù)本發(fā)明的燃料傳感器提供了基于測(cè)量核磁共振的傳感器，該傳感器能夠裝入到該機(jī)動(dòng)車中。所述根據(jù)本發(fā)明的燃料傳感器、尤其燃料品質(zhì)傳感器（其與所說明的根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備進(jìn)行工作）具有的優(yōu)點(diǎn)在于，利用唯一的傳感器設(shè)備能夠分析可能的燃料份額的全部的譜。此外，相應(yīng)的燃料品質(zhì)傳感器（其按照本發(fā)明進(jìn)行工作）以特別的方式適用于微型化并且還很穩(wěn)健，從而它有利地能夠應(yīng)用在機(jī)動(dòng)車中并且甚至應(yīng)用在燃燒室中。

本發(fā)明還包括一種呼氣分析儀，該呼氣分析儀基于核磁共振的測(cè)量。所述分析儀包括按照上述說明的設(shè)備，其中，所述設(shè)備具有用于產(chǎn)生基準(zhǔn)磁場(chǎng)的器件以及至少一個(gè)基于上文所說明的測(cè)量原理的磁場(chǎng)傳感器，該磁場(chǎng)傳感器被設(shè)置用于偵測(cè)磁共振，該磁共振通過在試樣中產(chǎn)生所述基準(zhǔn)磁場(chǎng)而被感應(yīng)。關(guān)于所述呼氣分析儀的和尤其被包含在其里面的磁場(chǎng)傳感器的另外的特征，參照上述說明。

呼出的空氣（呼吸氣體）的分析表現(xiàn)為在醫(yī)學(xué)診斷的框架中的不侵襲的辦法。這所基于的是，肺促成了在血液回路和呼氣之間的物質(zhì)交換，從而所述呼吸氣體的組成部分反映了在身體中的生物化學(xué)的過程。從而，能夠例如研究特定的生物標(biāo)記，該生物標(biāo)記在疾病的早期識(shí)別或者過程控制和治療控制的框架中起到作用。呼吸氣體的組成部分的分析在傳統(tǒng)上常常利用質(zhì)譜的辦法來進(jìn)行，其中，一般對(duì)此需要較高的設(shè)備開銷。不同地，所述根據(jù)本發(fā)明的分析設(shè)備在其對(duì)于呼氣分析儀的用途中允許微型化的分析，該分析設(shè)備在理想時(shí)甚至是便攜的。就此，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)律地監(jiān)視病人的呼吸氣體的對(duì)于相應(yīng)的疾病走勢(shì)相關(guān)的組成部分。

在呼氣分析儀的一個(gè)優(yōu)選的構(gòu)造方案中，所述儀器包括用于凝結(jié)呼出氣的器件，尤其是冷阱。利用此措施，將所述呼吸氣體凝結(jié)，從而后續(xù)的分析能夠基于測(cè)量在液相中的核磁共振來進(jìn)行。優(yōu)選地，所述冷阱能夠位于所述磁場(chǎng)傳感器的敏感的組件的區(qū)域中。例如，常見的冷卻元件能夠布置在所述敏感的組件的下方，從而所述冷凝物針對(duì)性地直接在具有NV中心的鉆石結(jié)構(gòu)上離析。所述冷卻元件能夠與加熱元件組合。通過一個(gè)加熱元件，再者能夠?qū)崿F(xiàn)所述所吸附的液體在所述測(cè)量之后的去除和所述傳感器的重置。為此，能夠例如設(shè)置帶有集成的加熱器的珀?duì)柼?/p>

例如，這樣的呼氣分析儀能夠用于證實(shí)過氧化氫，該過氧化氫被視為在所述呼吸氣體中的炎癥指標(biāo)。例如，在具有支氣管哮喘或慢性阻塞性肺疾病的病人中證實(shí)在呼吸氣體中的過氧化氫濃度的顯著提高。已知不同的方法，以用于證實(shí)在呼吸氣體中的過氧化氫，其中，一般進(jìn)行所述呼吸氣體的凝結(jié)和接下來的液相分析。例如，已知安培測(cè)量或者光學(xué)方法。但是，相應(yīng)的測(cè)量裝置被設(shè)計(jì)用于實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行并且不能夠本身由病人來進(jìn)行。不同地，通過在呼氣分析儀中采用根據(jù)本發(fā)明的分析設(shè)備，能夠提供這樣的儀器的微型化的形式，該儀器例如也對(duì)于病人本身允許在日常生活中的相應(yīng)的監(jiān)控。此外，所述根據(jù)本發(fā)明的呼氣分析儀具有的優(yōu)點(diǎn)是，不必維持反應(yīng)試劑或者功能化的表面，它們?cè)谒龇磻?yīng)之后會(huì)消耗并且會(huì)被替換。

所述根據(jù)本發(fā)明的呼氣分析儀不限于特定的分析物。其實(shí)，也能夠通過匹配所述評(píng)估來研究其它的分析物，例如硫化氫，該硫化氫適用于作為口臭的指標(biāo)。一般，所述呼氣分析儀也能夠用于分析其它的診斷相關(guān)的物質(zhì)或者分子。為此，原則上合適的首先是這樣的分子：該分子包含氫原子（H）和/或碳原子（C），因?yàn)?sup>1H和¹³C是同位素，利用根據(jù)本發(fā)明所采用的核磁共振能夠很好地證實(shí)該同位素。

本發(fā)明還包括一種基于測(cè)量核磁共振用于分析在試樣中的物質(zhì)的方法。所述方法的特征在于，產(chǎn)生一種磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)產(chǎn)生在所述試樣中的或在該試樣中的特定的物質(zhì)中的磁共振。為了偵測(cè)所產(chǎn)生的磁共振，使用具有氮空位中心的鉆石結(jié)構(gòu)。有利地，在耦合在視覺范圍中的電磁輻射時(shí)，并且在耦合在微波范圍中的電磁輻射時(shí)，把由鉆石結(jié)構(gòu)所發(fā)射的熒光輻射評(píng)估作為對(duì)于所感應(yīng)的磁共振的尺度。優(yōu)選地，在這里，耦合了帶有改變的頻率的在所述微波范圍中的電磁輻射。在從中得到的熒光譜（該熒光譜由所述鉆石結(jié)構(gòu)的NV中心發(fā)射）中，在此得到了熒光的表征的最小值或下降。參照所述微波射線的頻率來評(píng)估這些最小值。分別按照起作用的磁場(chǎng)，感應(yīng)了熒光最小值的特定的移動(dòng)。在所述熒光譜內(nèi)的所述熒光最小值的位置能夠由此被評(píng)估作為對(duì)于起作用的磁場(chǎng)的尺度。關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的方法的另外的特征，也參考上述說明。

本發(fā)明的其它的特征和優(yōu)勢(shì)從接下來結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的說明中得出。在此，單個(gè)的特征分別可以單獨(dú)地或相互組合地被實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

在附圖中示出：

圖1是在鉆石中的氮空位中心的示意圖；

圖2是對(duì)于作為燃料品質(zhì)傳感器的用途，作為單塊集成的NMR傳感器元件的根據(jù)本發(fā)明的分析設(shè)備的實(shí)施方式的示意的剖視圖；

圖3是對(duì)于使用在呼氣分析儀中，作為單塊集成的NMR傳感器元件的根據(jù)本發(fā)明的分析設(shè)備的一個(gè)另外的實(shí)施方式的示意的剖視圖；以及

圖4是根據(jù)本發(fā)明的呼氣分析儀的示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的核心是利用在鉆石中的氮空位中心來測(cè)量核磁共振，從而能夠提供很敏感的測(cè)量設(shè)備，該測(cè)量設(shè)備尤其也適合用于微型化的應(yīng)用。

圖1圖解了在鉆石中的本身已知的氮空位中心（NV中心）。所示的是形成所述鉆石結(jié)構(gòu)的碳原子晶格。碳原子之一被氮原子N（箭頭1）取代。在鉆石晶格中缺少直接相鄰的碳原子。這點(diǎn)在該示意中利用V（空缺）（箭頭2）指代。在鉆石中的這樣的NV中心在室溫時(shí)擁有特定的能譜。在正常狀態(tài)中，也即在利用在視覺范圍中的光線并且沒有在微波范圍中的另外的輻射進(jìn)行激勵(lì)時(shí)并且在沒有

施加磁場(chǎng)時(shí)，所述NV中心在光學(xué)激勵(lì)中示出了在紅色的波長(zhǎng)范圍中的熒光。如果除了所述光學(xué)激勵(lì)額外地還耦合了微波射線，則在特定的頻率中、尤其在2.88GHz中導(dǎo)致熒光的下降、也即導(dǎo)致能夠測(cè)量的熒光最小值。這種現(xiàn)象由此基于的是，NV中心的電子在該情況中從³A狀態(tài)的水平m_s = ± 1提高到³E狀態(tài)的水平m_s = ± 1，并且從那里不輻射地重組。在施加外置的磁場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)致水平m_s = ± 1的分裂（塞曼分裂）并且在施加熒光時(shí)關(guān)于所述微波激勵(lì)的頻率顯示了在熒光譜中的兩個(gè)最小值，該頻率的頻率間距比例于磁場(chǎng)強(qiáng)度（Balasubramanian等，自然，卷455，頁碼 648 （2008））。在此，磁場(chǎng)敏感性通過能夠最小分辨的頻移預(yù)先給定并且能夠達(dá)到高達(dá)100 。在微波頻率與在水平m_s = 0和m_s =± 1之間的所述能量間距一致時(shí)，因而導(dǎo)致了熒光的下降。對(duì)于外置的磁場(chǎng)，所述水平m_s = ± 1分裂并且要觀察到兩個(gè)經(jīng)限定的微波頻率，在該微波頻率中，減小了熒光（最小值）。在此，在這些經(jīng)限定的微波頻率中的頻率間距比例于磁場(chǎng)，從而通過評(píng)估所述熒光最小值能夠推斷出所述磁場(chǎng)強(qiáng)度。

本身已知的核磁共振光譜儀基于的是，許多原子或者同位素在其核自旋中擁有磁力矩。在自然出現(xiàn)的例如在過氧化氫（H₂O₂）中的¹H同位素以及在所有的有機(jī)的化合物中所包含的¹³C同位素屬于這些同位素。在沒有外部的激勵(lì)的情況中，這些磁力矩靜態(tài)地定向。通過施加外置的磁場(chǎng)，這些自旋開始旋進(jìn)并且出現(xiàn)了帶有表征的頻率的交變磁場(chǎng)。所述頻率能夠配設(shè)給相應(yīng)的原子種類和化合狀態(tài)。本發(fā)明所基于的測(cè)量原理借助于磁場(chǎng)傳感器來偵測(cè)所述表征的頻率，該磁場(chǎng)傳感器基于具有NV中心的鉆石結(jié)構(gòu)。在所述NV中心的熒光譜中作為噪音可見所述核磁共振。通過針對(duì)性的激勵(lì)詢問序列（所謂的XY8N解耦序列），能夠從噪音中過濾出來所述核磁共振。此噪音譜的分析于是正如在常規(guī)的核磁共振光譜儀中那樣允許了所述試樣組成部分的化學(xué)分析。已經(jīng)能夠由Staudacher等（科學(xué)，卷339，頁碼 561-563 （2013））示出的是，例如利用根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量原理能夠在¹³C和¹H之間區(qū)分以及區(qū)分不同的物質(zhì)。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明單塊集成的NMR傳感器元件作為根據(jù)本發(fā)明的分析設(shè)備20的可能的實(shí)施方式。在承載基質(zhì)21、例如硅基體上，壓焊了具有集成的光源33的LED結(jié)構(gòu)22。作為備選方案，取代LED結(jié)構(gòu)能夠例如設(shè)置VCSEL激光芯片。光源33優(yōu)選地應(yīng)該輻射出在可見光譜的綠色范圍中、尤其在在大約530nm至大約570nm之間的波長(zhǎng)范圍的波長(zhǎng)，因?yàn)樵诖朔秶?，所述NV中心的光子吸收最大。所述承載基質(zhì)21還包括光電二極管23，例如p-n-光電二極管，或者多個(gè)光電二極管的裝置。在所述光電二極管的上方，存在光學(xué)的過濾層24。在所述過濾層24的上方，布置有與NV中心偏置的鉆石層25作為分析設(shè)備20的敏感的組件。在相對(duì)于鉆石層25的空間附近中，RF天線被設(shè)置作為用于耦合所述微波射線的器件26。在與壓控振蕩器（VCO）的互相配合中，經(jīng)過微波天線26能夠耦合在微波范圍中的電磁的激勵(lì)輻射。所述天線26能夠例如指的是RF帶天線，其位于所述光電二極管裝置23的邊緣處。在借助于所述光源33進(jìn)行的在視覺范圍中的電磁的激勵(lì)輻射的同時(shí)，通過在NV中心中的表征的核磁共振來發(fā)射表征的熒光譜，該熒光譜能夠經(jīng)過所述光電二極管23來偵測(cè)。在這里，所述光學(xué)的過濾層24把激勵(lì)光從所述熒光譜中過濾出來。于是，作為測(cè)量信號(hào)來評(píng)估在利用激勵(lì)詢問序列（XY8N解耦序列）激勵(lì)時(shí)的熒光強(qiáng)度的改變。

因?yàn)樽钚∧軌蚍直娴念l移與在NV中心中的所激勵(lì)的自旋狀態(tài)的壽命關(guān)聯(lián)，則有利的是，為了測(cè)量所述核磁共振，使用在N-核自旋處的NV電子自旋的耦合的效果，并且把頻率信息傳輸給ml=1 N-核自旋-狀態(tài)，其擁有幾天的壽命，而在所述NV中心中的被激勵(lì)的自旋狀態(tài)的壽命位于幾個(gè)毫秒的范圍中（Laraoui等，Nature Comm.，DOI： 10.1038/ncomms2685）。通過這些措施能夠在原則上分辨幾個(gè)Hz的在有待測(cè)量的核磁共振中的頻移。

在所示的示意的剖視圖的下部的部分中示出了基準(zhǔn)磁體27，該基準(zhǔn)磁體能夠例如提供具有100 mT的強(qiáng)度的磁場(chǎng)。所述基準(zhǔn)磁體27尤其由線圈形成，該線圈位于在對(duì)于所述分析設(shè)備的其余的組件的空間附近中。 借助于所述磁體27，產(chǎn)生外置的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)對(duì)于激勵(lì)所述表征的自旋旋進(jìn)而言是必要的。相比于常見的NMR儀器，所述基準(zhǔn)磁體27能夠顯著更小地設(shè)計(jì)，因?yàn)椴煌诔Ｒ?guī)的NMR，不必在比較大的試樣體積中同步相同取向的核自旋的集體，而是在小的試樣體積中讀取各自的核自旋。

通過所述鉆石層25的例如以管或者針為形式的結(jié)構(gòu)化，能夠增大所述表面，從而能夠提高敏感性。通過在所述鉆石層25中的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，能夠?qū)τ谳^長(zhǎng)的時(shí)間段穩(wěn)固保持所述試樣，從而能夠延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間并且由此改善可測(cè)量性。

所述分析設(shè)備20還包括用于加熱和/或冷卻的元件28。通過在完成測(cè)量之后加熱所述設(shè)備，能夠例如去除在所述鉆石層25上的試樣殘余物。 如果所述鉆石層25例如包含毛細(xì)管以用于較久地?cái)r住試樣，則通過借助于所述加熱元件28加熱所述設(shè)備，能夠在所述測(cè)量之后氣化所述試樣液。這點(diǎn)能夠用于傳感器的再生。借助于所述元件28的冷卻能夠用于在加熱之后再次設(shè)定經(jīng)限定的測(cè)量條件。在冷阱的意義中的冷卻還能夠用于凝結(jié)可能氣態(tài)的試樣。

有利地，多個(gè)各自有待評(píng)估的NV中心或者NV傳感器被包含在所述鉆石層25中。相應(yīng)地，所述光電二極管23也能夠構(gòu)造為多個(gè)光電二極管的裝置。通過這些措施，能夠進(jìn)一步提高對(duì)于特定的分子種類的濃度敏感性。

根據(jù)本發(fā)明的分析設(shè)備20的在圖2中所示的構(gòu)造方案能夠尤其被采用作為燃料傳感器，例如作為燃料品質(zhì)傳感器。但是，所述根據(jù)本發(fā)明的分析設(shè)備不限于此。有待分析的液體、也即例如燃料，經(jīng)過微流體的通道29導(dǎo)引經(jīng)過鉆石層25。在這里能夠設(shè)置的是，在測(cè)量期間中斷所述液體流，這點(diǎn)通過相應(yīng)的進(jìn)給閥30的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。在所述測(cè)量期間，因而閉合所述進(jìn)給閥30，以便把有待分析的液體保持在所述敏感的組件25、也即鉆石層的范圍中。在所述測(cè)量之后，打開所述閥30，從而有待測(cè)量的液體在所述通道29中經(jīng)過在所述進(jìn)給閥30的區(qū)域中的傳感器的輸入端之間和在對(duì)置的輸出端之間的壓力差（在這里通過箭頭31）能夠交換。被所述通道29穿過的所述材料32針對(duì)性地是光學(xué)透明的，從而來自所述光源33的所述光學(xué)的激勵(lì)輻射在沒有顯著損失的情況中能夠達(dá)到鉆石層25中的NV中心。

圖3圖解了對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的分析設(shè)備40的一個(gè)另外的示例，該分析設(shè)備例如能夠集成到呼氣分析儀中。可與在圖2中圖解的構(gòu)造方案進(jìn)行對(duì)比，所述分析設(shè)備40包括承載基質(zhì)41，光電二極管陣列43集成到該承載基質(zhì)中。光學(xué)的過濾層44位于帶有所述光電二極管陣列43的區(qū)域的上方。在所述光學(xué)的過濾層44上布置有帶有集成的NV中心的鉆石層45（敏感的組件）。在對(duì)于鉆石層45的空間附近中，存在著用于耦合在微波范圍中的電磁的激勵(lì)輻射的微波天線46。在所述承載基質(zhì)41上布置有帶有用于輻射在視覺范圍中的電磁輻射的光源53的LED結(jié)構(gòu)42（或者VCSEL結(jié)構(gòu)）。所述結(jié)構(gòu)42如此結(jié)構(gòu)化，使得該結(jié)構(gòu)能夠由有待分析的試樣流過，在這里通過箭頭51標(biāo)識(shí)。在所述承載基質(zhì)41的下方存在用于冷卻和加熱所述分析設(shè)備40的元件48。在這里，它能夠例如指的是能夠加熱的珀?duì)柼?。在?duì)于這些結(jié)構(gòu)的空間附近中存在磁體47，該磁體被設(shè)置用于產(chǎn)生所述基準(zhǔn)磁場(chǎng)，以便在所述鉆石層45的NV中心中感應(yīng)自旋旋進(jìn)和磁共振。對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的分析設(shè)備，例如B=100mT的磁場(chǎng)是足夠的，因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明所采用的測(cè)量原理關(guān)于在所述鉆石中的NV中心是極其敏感的。這樣能夠單塊集成的NMR傳感器結(jié)構(gòu)的整個(gè)尺寸能夠例如計(jì)為大約5 cm x 5 cm。由此，所述根據(jù)本發(fā)明的分析設(shè)備對(duì)于微型化的應(yīng)用很適合。例如，能夠把這樣的分析設(shè)備裝進(jìn)到呼氣分析儀中：該呼氣分析儀是輕便的并且能夠由病人在日常需求中采用。

尤其在設(shè)備（該設(shè)備用于分析氣態(tài)的試樣、例如呼吸氣體）中，針對(duì)性地設(shè)置了所述氣態(tài)的試樣的凝結(jié)。為此，在所述設(shè)備40中能夠裝入用于實(shí)現(xiàn)冷阱的元件48。如果氣態(tài)的試樣導(dǎo)引通過所述結(jié)構(gòu)42的通道（箭頭51），則所述載體41連同布置在其上的敏感的鉆石層45冷卻，從而所述試樣直接在所述鉆石層45上凝結(jié)。所述分析能夠接下來在所述試樣的液相中進(jìn)行。在完成測(cè)量之后，鉆石層45的區(qū)域能夠尤其借助于組合式的加熱和冷卻元件48來加熱，從而所述冷凝物通過氣化再次被去除，并且能夠準(zhǔn)備分析設(shè)備40，以用于再度的測(cè)量。

圖4圖解了把圖3中的分析設(shè)備40集成到呼氣分析儀60中。所述呼氣分析儀具有嘴件61，經(jīng)過該嘴件使得呼出氣從病人或者一般由使用者吹進(jìn)到儀器60中。所述嘴件能夠出于衛(wèi)生原因而配有有細(xì)菌過濾器。所述呼氣分析儀60還包括分析腔62，該分析腔包含借助于圖3已經(jīng)闡釋的分析設(shè)備40（測(cè)量設(shè)備）。經(jīng)過在所述儀器內(nèi)的相應(yīng)的空氣導(dǎo)引部63，所述空氣到達(dá)所述分析設(shè)備40的通道結(jié)構(gòu)中，從而所述呼出氣（呼吸氣體）導(dǎo)引經(jīng)過所述分析設(shè)備40的鉆石層45。通過組合式的加熱和冷卻元件48，在這里，提供一種冷阱，從而呼吸氣體（當(dāng)該呼吸氣體到達(dá)鉆石層45的區(qū)域中時(shí)）凝結(jié)并且在所述液相中能夠按照根據(jù)本發(fā)明的原理來分析。