CN103460068A

CN103460068A - 微流体单元及与其一起使用的自旋共振装置

Info

Publication number: CN103460068A
Application number: CN2011800504898A
Authority: CN
Inventors: D·J·特威切恩; M·L·玛尔卡哈姆
Original assignee: Element Six Ltd
Current assignee: Element Six Ltd
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2013-12-18
Also published as: GB201015260D0; GB2483767B; US8669764B2; WO2012034924A1; JP2013537303A; EP2616829B1; US20140035584A1; GB2483767A; GB201115515D0; EP2616829A1

Abstract

一种微流体单元，包括：微流体通道（32），用于接收流体样本；以及传感器（30），设置得与微流体通道相邻；其中该传感器包括具有一个或多个量子自旋缺陷的金刚石材料（34）。在使用中，流体样本被加载到微流体单元中，并利用量子自旋缺陷经由磁共振分析该流体。

Description

微流体单元及与其一起使用的自旋共振装置

技术领域

本发明涉及微流体单元以及与其一起使用的自旋共振装置。

背景技术

微流体单元通常包括具有等于或小于1mm（尤其是，在100nm至1mm的范围内）的至少一个尺寸的一个或多个通道。在使用中，流体样本被引入到单元的所述一个或多个通道中，并且在其中被分析。该分析可能涉及例如使用设置在单元内并且被布置为与引入到单元中的样本的至少一部分反应的一个或多个试剂。如此，微流体单元可以提供集成的便携式分析装置，从而消除消耗时间的试验室分析过程。

还已知将微流体单元与其它装置（诸如，蛋白质阵列以及质谱仪）耦接以进一步增强分析功能性。D.Erickson和Dongqing Li在综述文章“集成微流体装置”Analytica Chimica Acta507（2004）11-26中提供了集成微流体技术的综述。

已经提出提供使用核磁共振分析微升量的流体样本以用于NMR谱检查和/或NMR成像的装置。存在若干与将NMR装置集成到包括微流体单元的便携式分析装置中相关联的若干问题，如下面讨论的。

NMR装置是公知的。它们基于如下的原理起作用：特定的核素（nuclei）具有量子自旋，该量子自旋产生磁场。优选地，通过对样本施加静磁场，将这些核素的自旋与所施加的磁场对准。然后施加振荡射频磁场到该样本并且频率变化。在该振荡磁场进入与核自旋共振时，其使核自旋翻转以与静磁场的方向相反地取向。该转变导致可以检测的局部磁场变化。由于围绕的电子的局部屏蔽影响以及紧密间隔的核自旋之间的自旋-自旋相互作用，不同的核素将在所施加的振荡磁场的不同的频率处自旋翻转。由于局部化学环境而导致的核自旋的共振频率改变被称为NMR化学偏移（chemical shifting）。如此，可以经由表示化学偏移数据的NMR谱得到关于样本的化学结构的信息。此外，如果在样本中在许多不同的位置处通过例如施加在空间中变化的磁场进行测量，则可以如在磁共振成像（MRI）中那样产生样本的NMR像。

标准的NMR装置使用电感性的射频（rf）拾取线圈来产生振荡磁场以及通过由于在其进入与所施加的场共振时核自旋的自旋翻转而导致的NMR信号的方式感测磁场中的变化。然而，该拾取线圈是非常不敏感的，并因此使用相对大的样本体积和高的磁场强度（通常通过超导磁体产生），来改善信号强度以及增加解析NMR化学偏移的能力。这导致标准的NMR装置是非常大的并且不适用于集成到小的便携式分析装置和/或使用小的样本体积的装置中。

已知对使用电感性的rf拾取线圈的替代物使用作为NMR信号传感器。例如，已经提出了诸如超导量子干涉装置（SQUID）和碱蒸汽原子磁力计的磁力计。然而，再次地，这些装置不适于集成到小的便携式分析装置中，因为SQUID需要低温冷却而碱蒸汽原子磁力计需要加热的蒸汽单元。

WO2009/046350认识到与将已知的NMR装置布置整合到微流体单元中相关的前述问题，并建议了一种替代方案，其使用固态磁电阻传感器。磁电阻传感器包括薄的铁质材料的条带，其中在施加与电流方向垂直的磁场时出现电阻变化。电阻变化被测量并且表示局部化的磁场中的变化。以这样的方式，在磁电阻传感器被放置得很靠近已经被静磁场极化的微流体通道并且通过施加例如振荡射频磁场使核自旋反复翻转时，可以检测到磁场强度中的瞬态变化。还可以利用电子自旋共振（ESR）以类似的方式使用这样的技术以用于分析电子自旋，而不是核自旋。

与WO2009/046350中描述的布置相关的一个问题是，尽管可以使磁电阻传感器小以整合到微流体单元中，但是在没有施加强（>1特斯拉）的同质场的情况下，它们并不足够敏感来解析精确的化学偏移信息的。建议，对于较低精确的测量，可以使用更简单的磁体，以利于小型化（见WO2009/046350的35段）。然而，由WO2009/046350的教导显然可知，由于对于用以解析这样的信息的强同质磁场的需要，在需要期望的精确的化学偏移信息时，磁电阻传感器并不足够敏感以利于这样的小型化。

本发明的某些实施例的一个目标是提供对WO2009/046350中建议的方案的替代布置，以将自旋共振传感器集成到微流体单元中。另外的目标是提供一种布置，其在较低的施加磁场强度下足够敏感以解析详细化学偏移信息，从而利于小型化而不损失功能性。

概述

根据本发明第一方面，提供了一种微流体单元，包括：

微流体通道，用于接收流体样本；以及

传感器，设置得与所述微流体通道相邻；

其中，所述传感器包括金刚石材料，所述金刚石材料包括一个或多个量子自旋缺陷。

根据本发明第二方面，提供了一种制造所述微流体单元的方法，所述方法包括：

利用化学气相沉积技术生长金刚石材料；

在所述金刚石材料中形成一个或多个量子缺陷；以及

形成与所述一个或多个量子自旋缺陷相邻的微流体通道。

根据本发明第三方面，提供了一种自旋共振装置，包括：

单元接收部，用于接收在此描述的微流体单元；

第一可变振荡场发生器，用于在所述微流体单元被安装在所述单元接收部中时操纵设置在所述微流体单元的所述微流体通道内的样本内的量子自旋；

第二可变振荡场发生器，用于在所述微流体单元被安装在所述单元接收部中时操纵设置在所述微流体单元的所述传感器中的所述一个或多个量子自旋缺陷；

光源，用于在所述微流体单元被安装在所述单元接收部中时光学地泵浦所述微流体单元的所述传感器中的所述一个或多个量子自旋缺陷；以及

检测器，用于在所述微流体单元被安装在所述单元接收部中时检测来自所述微流体单元的所述传感器中的一个或多个衰减的量子自旋缺陷的辐射。

根据本发明第四方面，提供了一种如在此描述的自旋共振装置，其包括如在此描述的微流体单元。

根据本发明第五方面，提供了一种分析流体样本以产生自旋共振数据的方法，所述方法包括：

将流体样本加载到如在此描述的微流体单元中；以及

分析所述流体样本以产生所述样本的自旋共振数据。

附图说明

为了更好地理解本发明以及示出可以如何实现本发明，现在将仅通过示例的方式参考附图描述本发明的实施例，在附图中：

图1a示出了NV^-缺陷的原子结构；

图1b示出了NV^-缺陷的电子学结构；

图2a示出了通过变化的微波频率操纵的由多个NV^-缺陷获得的特征荧光谱；

图2b示出了金刚石晶体中四个结晶NV^-轴的取向；

图3示出了根据本发明一个实施例的微流体单元；

图4示出了根据本发明一个实施例的自旋共振装置的示意图；；

图5示出了根据本发明一个实施例的自旋共振装置的更详细的示意图；

图6示出了根据本发明一个实施例的用于分析被加载到包括金刚石传感器的微流体单元中的流体样本的输入和输出信号；

图7示出了根据本发明另一实施例的微流体单元；

图8示出了根据本发明一个实施例的形成基于金刚石的微流体单元的逐步工艺；

图9示出了根据本发明另一实施例的微流体单元；

图10示出了根据本发明一个实施例的用于形成微流体单元的替代方法；以及

图11示出了根据本发明一个实施例的形成微流体单元的另一替代方法。

具体实施方式

近来已经提出金刚石磁力计以用于磁场显微以及磁成像。见，例如：C.L.Degen所著"Scanning magnetic field microscope with adiamond single-spin sensor"，Applied Physics Letters92，243111(2008)；Steinert等人所著的"High sensitivity magnetic imagingusing an array of spins in diamond"，Review of ScientificInstruments81，043705(2010)；WO2009/073736；以及WO2009/073740。

前述文献提出利用高纯度单晶金刚石材料中的氮空位（nitrogen-vacancy，NV^-）缺陷作为探针自旋以用于感测磁场，并利用光学检测的磁共振（ODMR）监视该探针自旋。如Steingert等人所著的论文中描述的，金刚石中的NV^-缺陷由与碳空位相邻的取代氮原子形成，如图1a中所示。其两个未配对的电子形成处于电子基态的自旋三重态（³A），衰减的m_s=±1亚能级（sublevels）被与该m_s=0能级分开2.87GHz。在图1b中示出了根据Steingert等人的NV^-缺陷的电子学结构。m_s=0亚能级在被光学泵浦时呈现出高荧光率。相反，当在m_s=±1能级中缺陷被激发时，其呈现出较高的与非辐射单重态（¹A）交叉的概率，继之以后续的到m_s=0中的弛豫。结果，可以光学地读出自旋态（spin state），m_s=0状态是"亮"而m_s=±1状态是暗。在施加外部磁场时，经由Zeeman分裂打破亚能级m_s=±1的简并。这使得共振线根据所施加的磁场幅度及其方向分裂。该依赖性可以用于矢量测磁，因为根据Steinert等人，可以通过扫描微波（MW）频率，在光学检测的磁共振（ODMR）谱中导致特征垂度（characteristic dip），而探测共振自旋跃迁，如图2a中所示。

Steinert等人采用离子注入来在超纯的[100]类型IIa金刚石中生成带负电荷的NV^-中心的同质层。发现集合NV^-传感器由于来自多个感测自旋的放大的荧光信号而提供了较高的磁灵敏度。另一选择是矢量重构，这是因为根据Steinert等人，金刚石格子（lattice）迫使四个不同的四面体的NV^-取向，如图2b中所示。可以测量磁场沿着这些轴中的每一个轴的投影，作为单一复合谱，并且使用数值算法来重构全磁场矢量。可以通过基于无约束最小二乘算法分析ODMR来计算外部磁场的幅度(B)和取向（θ_B、

）。

本发明的发明人认识到，Steinert等人公开的原理可以与微流体装置的原理和自旋共振装置的原理组合来提供一种足够敏感来在低的施加磁场强度下解析详细的化学偏移信息的自旋共振装置，因此利于小型化而不损失功能性。如此，本发明在于这样的认识：可以以这样的方式将金刚石传感器集成到微流体单元中以允许构建小的便携式微流体自旋共振装置。

本发明的某些实施例提供了一种微流体单元，其包括：微流体通道，用于接收流体样本；以及传感器，其被设置为与所述微流体通道相邻；其中所述传感器包括具有一个或多个量子自旋缺陷的金刚石材料。某些实施例可以利用如下的方法制造，所述方法包括：利用化学气相沉积技术生长金刚石材料；在所述金刚石材料中形成一个或多个量子自旋缺陷；以及，形成与所述一个或多个量子自旋缺陷相邻的微流体通道。

金刚石传感器材料

优选地，传感器的金刚石材料是单晶金刚石材料，但是还构思多晶金刚石材料作为替代选择。所述单晶金刚石材料可以包括具有等于或大于0.5mm、1mm、2mm、或3mm的至少一个尺寸的单晶金刚石。可以利用化学气相沉积（CVD）技术形成所述金刚石材料。

在WO2010/010352、WO2010/010344、WO2009/105814、WO2009/105815、WO2010/003179以及US2009/0214169中描述了合适的金刚石材料以及用于制造这样的用于金刚石传感器的材料的方法。

优选地，所述金刚石材料应当为高质量的"量子级"金刚石材料，诸如，WO2010010344以及WO2010010352中描述的金刚石材料。在此，对于适于在利用材料的量子自旋特性的应用中使用的金刚石材料，使用术语"量子级"金刚石。特别地，量子级金刚石材料的高纯度使得可以利用本领域技术人员已知的光学技术来隔离单个缺陷中心。

优选利用具有小于或等于250份每十亿、200份每十亿、150份每十亿或120份每十亿（作为分子氮计算的）氮浓度的气相，来生长金刚石传感器至少一部分。CVD反应器内气体中降低的氮含量导致CVD金刚石材料内降低的氮含量，并因此，导致较低的吸收系数和较长的去相干（decoherence）时间。CVD反应器气体内的氮含量可以超过0.001份每十亿、超过0.01份每十亿、超过0.1份每十亿、超过1份每十亿、或超过10份每十亿。

除高化学纯度以外，该CVD生长工艺还可以使用高同位素纯度的源气体。例如，碳源气体可以具有增加的¹²C分量（分数）以便等于或大于99%、99.3%、99.6%、99.9%、99.99%、或99.999%。这可以进一步增加单光子发射体（single photon emitters）的去相干时间，但是也构思可以使用¹²C的自然丰度。

鉴于上述，金刚石传感器可以由具有至少一个高纯度部分的金刚石材料形成，所述至少一个高纯度部分包括下列中的一个或多个：等于或小于20ppb、10ppb、5ppb、1ppb、或0.5ppb的中性单取代氮浓度；等于或小于0.15ppb、0.1ppb、0.05ppb、0.001ppb、0.0001ppb、或0.00005ppb的NV^-浓度；以及，等于或小于0.9%、0.7%、0.4%、0.1%、0.01%、或0.001%的¹³C的总浓度。金刚石传感器可以包括以厚度等于或大于下列厚度的层的形式的至少一部分所述材料：0.1μm、1μm、10μm、100μm、200μm、或500μm。

CVD生长工艺中使用的气体组分可能还包括与颜色中心的形成或其电荷稳定有关的其它杂质，诸如，例如硅或磷。然而，根据低氮浓度以外的某些实施例，CVD生长工艺优选还使用具有非常低浓度的其它杂质的气体组分，所述其它杂质可以在CVD生长期间并入到金刚石材料中。因此，金刚石材料的至少一部分优选具有下列中的一项或多项：100ppb或更低的硼浓度；100ppb或更低的硅浓度；1ppm或更低的顺磁缺陷的浓度；5ppm或更低的任何单个非氢杂质的浓度；10ppm或更低的除氢及其同位素以外的总杂质含量；以及10¹⁸cm^-3或更低的单晶金刚石宿主材料中的氢杂质浓度。该高纯度材料优选还具有低浓度的位错。例如，高纯度单晶金刚石材料可以包含等于或小于下列数值的位错束密度：10⁶位错cm^-2；10⁴位错cm^-2；3x10³位错cm^-2；10³位错cm^-2；10²位错cm^-2；或10位错cm^-2。这可以通过仔细的基板制备以及使用氮来抑制位错的形成（否则，位错可能通过高纯度金刚石材料传播）来实现。

还期望处理金刚石材料的表面以便实现低表面粗糙度Rq。如WO2010010344和WO2010010352中所描述的，利用本发明的合成金刚石材料作为宿主材料，可以获得高的T₂值和高的频谱稳定性，在该宿主材料中，要将量子自旋缺陷设置在距这样的处理的表面等于或小于100μm的距离处。根据本发明的实施例，量子自旋缺陷应当优选设置在距所述处理的表面等于或小于下列距离的距离处：100μm、优选50μm、优选20μm、优选10μm、优选1μm、优选500nm、优选200nm、优选50nm、优选20nm、或优选10nm。量子自旋缺陷的这样的定位意味着，对于最终应用其是可容易访问的，从而使得其可以例如通过光学耦合到波导来被表征和"读出"。因此，在量子级单晶金刚石中形成量子自旋缺陷是有利的，其中金刚石材料的表面被处理为使得：在以在最邻近形成量子自旋缺陷的位置的表面上的点为中心、半径为约5μm的圆所限定的面积内单晶金刚石的表面粗糙度Rq等于或小于约10nm、5nm、1nm、或0.5nm。该表面可以在形成量子自旋缺陷之前或之后处理。在这里讨论的微流体单元布置中，量子自旋缺陷可以被形成为邻近金刚石传感器的形成微流体通道的至少一部分的表面。因此，该表面可以被处理为具有低的表面粗糙度。

除在邻近量子自旋缺陷的表面处的低表面粗糙度以外，确保邻近量子自旋缺陷处亚表面损伤低也是有用的。可以通过蚀刻，诸如，利用等离子蚀刻，来降低亚表面损伤。还可以控制邻近量子自旋缺陷的金刚石表面处的表面终止（surface termination）的类型，来确保金刚石不以将不利地与量子自旋缺陷相互作用的核素终止，这也是有用的。例如，确保邻近量子自旋缺陷的金刚石表面被以自旋零核素（诸如，氧）终止而不是具有非零自旋的核素（诸如，氢）或可能导致某些表面电荷再分布过程（诸如，已知随氢出现的）的那些核素终止可以有用的。

高纯度（化学和/或同位素）金刚石材料是优选的，因为一个或多个量子自旋缺陷的去相干时间（并因此，其灵敏度）受单晶金刚石晶体内的其它自旋活性核素的存在的影响。低位错密度也是重要的，因为金刚石晶体中的应变也会影响所述一个或多个量子自旋缺陷的去相干时间，并因此影响其灵敏度。低位错密度对于降低应变以及确保在单晶金刚石材料中形成质量良好的通道也会是重要的。期望低且均匀一致的应变，以避免从一个量子自旋缺陷到下一个量子自旋缺陷的量子自旋缺陷光辐射的任何偏移或Stark扩展。在一种形式中，所述一个或多个量子自旋缺陷也可以作为电场的量度。在这样的结构中，也期望具有低且均匀一致的应变。

可以利用多阶段生长工艺来形成所述传感器，从而该传感器具有设置在其中的较低质量和较高质量的金刚石材料两者，所述一个或多个量子自旋缺陷设置在所述较高质量金刚石材料中。例如，可以利用具有作为分子氮计算的大于或等于300份每十亿（ppb）且小于或等于5份每百万（ppm）的氮浓度的气相生长单晶金刚石材料的第一层。第二层可以利用具有作为分子氮计算的大于或等于0.001ppb且小于或等于250ppb的氮浓度的气相生长。该第二层也可以利用具有碳源气体的气相生长，所述碳源气体包括以自然丰度或以所述碳源气体的总的C含量的至少99%的量的¹²C。如先前讨论的，该第二层可以包括高纯度量子级金刚石材料。所述第一层将包括构成所述金刚石材料的至少一个另外的部分的、较低级别的金刚石材料，其由如下的单晶金刚石材料形成，所述单晶金刚石材料具有下列中的一项或多项：等于或大于30ppb、50ppb、100ppb、200ppb、300ppb、500ppb、700ppb、或800ppb的单取代氮浓度；等于或大于0.3ppb、0.5ppb、1ppb、2ppb、3ppb、5ppb、7ppb、或8ppb的NV^-浓度；以及，¹³C的自然丰度。所述至少一个另外部分可以具有如下的中性单取代氮浓度，其是所述至少一个部分的中性单取代氮浓度的至少5、10、20、50、100、500、1000或10000倍。所述至少一个另外部分还可以具有下列中的一项或多项：等于或小于5ppm、2ppm、或1ppm的中性单取代氮浓度；以及等于或等于或小于50ppb、20ppb、或10ppb的NV^-浓度。金刚石材料可以由包括所述至少一个部分以及所述至少一个另外部分两者的单晶金刚石形成，从而这些部分通过被并入到单晶金刚石中而耦接在一起。

可以通过注入或原位生长在所述第二层中形成一个或多个量子自旋缺陷。然后可以利用与对于第一层相同的生长条件在第二层之上生长第三层。然后，可以形成通过该复合金刚石结构的通道，基本上与所述一个或多个量子自旋缺陷平行且邻近，以形成微流体单元。

前述方法的一个问题是，如果通过切割或蚀刻通过金刚石晶体的孔而形成通道，那么难以对通道的内壁进行抛光。由于提供与所述一个或多个量子自旋缺陷相邻的低粗糙度表面是有利的，因此一种可能是生长高纯度的CVD金刚石层，注入或内生长（grow in）所述一个或多个量子自旋缺陷，以及抛光表面。该抛光的表面用于形成微流体通道的一个壁。可以将另外的元件（其可以由金刚石或某些其它材料形成）接合到抛光的金刚石表面以形成微流体通道。

替代地，通道中的平滑表面可以利用激光开孔实现，其中选择诸如横切速率（traverse rate）和脉冲速率的操作参数以给出所需的表面精磨。仍替代地，可以在通过激光制成之后对通道的内部表面进行处理，例如，通过在金刚石线绘切管芯的制造中使用的技术，诸如，在细小的金刚石粉的浆料中利用往复运动的直径比通路直径稍小的线抛光内表面。

量子自旋缺陷

所述一个或多个量子自旋缺陷优选是NV^-缺陷，但是原理上它们可以包括单晶金刚石材料中的其它类型的量子自旋缺陷。如在此所使用的术语"量子自旋缺陷"表示具有适于感测磁场或电场的量子自旋的单晶金刚石材料内的缺陷。其它感兴趣的用于本发明的实施例中的可能的金刚石缺陷包括：非本征缺陷，诸如，基于氢、铬、镍、硅、或磷的缺陷；以及本征缺陷，诸如，空位、间隙原子（interstitials）、以及空位对或簇。然而，已经发现NV^-缺陷特别有用，因为它们可以在室温下被光学地泵浦到基态电子自旋结构中，以使传感器准备好而无需考虑电子态的热分布的低温冷却。此外，可以利用微波操纵NV^-缺陷的电子自旋态，并且如先前Steinert等人描述的，可以通过感测荧光谱中的变化读出NV^-缺陷的电子自旋态。另外，NV^-缺陷具有长的去相干时间T₂，这是有用的，因为对样本中磁场或电场中的变化的灵敏度与去相干时间有关。所述一个或多个量子自旋缺陷可以具有等于或大于0.05ms、0.1ms、0.3ms0.6ms、1ms、5ms、或15ms的去相干时间T₂，相应的T₂ ^*值等于或小于400μs、200μs、150μs、100μs、75μs、50μs、20μs、或1μs。

所述一个或多个量子自旋缺陷可以被设置在距所述微流体通道等于或小于100nm、80nm、50nm、30nm、20nm、或10nm的距离处。有利的是，量子自旋缺陷被设置为邻近微流体通道以增加对样本内磁场或电场的变化的灵敏度。此外，在提供了多个量子自旋缺陷时，可以使微流体通道的容纳物（content）和量子自旋缺陷之间的空间距离为尽可能恒定，以使对来自量子自旋缺陷的数据去卷积（deconvoluting）的复杂性最小化。可以构思许多的几何形状来进行此，其中的许多需要多阶段生长和处理，如稍后在该说明书中更详细地讨论的。一个标准是，量子自旋缺陷的受控区域与微流体通道的分离，以及量子自旋缺陷的受控区域在不与微流体通道平行的方向上的程度，优选具有与微流体通道自身的横度（直径）类似的幅度量级。这是使通道非常窄的一个原因。

如本领域中已知的，量子自旋缺陷，例如NV^-，可以内生长（grown in）或通过注入技术生成。存在若干与利用注入和退火而不是单独生长而产生的NV^-缺陷相关联的若干区别特征。这些包括，例如，在741nm处存在空位中心（GR1），以及在394nm处的处于负电荷状态的相同的缺陷，其是用于产生NV^-缺陷的注入例程的余物（leftover）。

所述一个或多个量子自旋缺陷可以被注入在邻近与微流体通道相邻的传感器的表面的金刚石材料层中。量子自旋缺陷可以在形成通道之前或之后注入。替代地，量子自旋缺陷可以在化学气相沉积生长阶段期间生长到金刚石材料中。利用注入方法的一个优点是，可以准确地相对于通道设置所述一个或多个量子自旋缺陷，以优化所述一个或多个量子自旋缺陷相对于通道的位置，以用于感测位于通道中的样本内的磁场或电场的变化。例如，可以将缺陷的线、带、或层形成为邻近所述通道，以感测通道内样本中磁场或电场的变化。替代地，所述一个或多个量子自旋缺陷可以在用于制造传感器的金刚石材料的化学气相沉积方法期间生长到金刚石材料中。该方法的一个优点是，所述金刚石材料不经受在注入技术期间可能出现的损伤。这样的损伤可能影响量子自旋缺陷的质量，例如，通过降低去相干时间T₂，并因此影响传感器的灵敏度。然而，将微流体通道设置在相对于量子自旋缺陷的期望的位置处，可能是更困难的。就此而言，可以选择含有量子自旋缺陷的区域的浓度和体积，以使得一个或多个量子自旋缺陷将相对于微流体通道位于期望的位置处或邻近期望的位置将是统计性地可能的。

金刚石感测元件可以通过如下形成：生长高纯度单晶CVD金刚石，在所述高纯度单晶CVD金刚石中形成量子自旋缺陷的线、带或层（通过注入或原位生长），以及，在距所述量子自旋缺陷的线、带、或层100nm或更小的距离处形成与所述量子自旋缺陷的线、带、或层基本上平行的通道。可以通过控制相对于所述一个或多个量子自旋缺陷形成通道的位置来控制所述一个或多个量子缺陷和所述通道的相对位置。例如，一个或多个量子自旋缺陷可以位于单晶金刚石材料内，然后，在与所述一个或多个量子自旋缺陷相邻的适当位置处形成通道。替代地，可以形成通道，然后，在与所述通道相邻的适当位置处形成所述一个或多个量子自旋缺陷。例如，可以在金刚石材料中形成开放的槽，并将一个或多个量子自旋缺陷沿着其长度直接注入到槽的壁中。然后可以在所述开放的槽之上设置另外的材料层，其可以是金刚石或某些其它材料，来封上所述槽并形成微流体通道。

可以构想多种可能的量子自旋缺陷绕微流体通道的分布。沿微流体通道的长度提供多个量子自旋缺陷可以改善灵敏度。在沿着微流体通道的一个或多个位置处提供围绕微流体通道的量子自旋缺陷的环，可以给出良好的空间分辨率，以用于在沿着该通道的一个或多个特定位置处进行测量。例如，可以形成分层的金刚石结构，包括散布有基本不包括量子自旋缺陷的金刚石层的、分隔开的包括量子自旋缺陷的层。然后可以形成通过该分层结构的孔，以形成微流体通道。这样的微流体通道将被沿其长度分隔开的量子自旋缺陷的环围绕。这对于其中流体样本沿微流体通道流动并且需要时间分隔的测量例如以监视化学反应的进行的布置是有利的。

与上述内容相关的，应当注意，利用量子自旋缺陷所需的测量时间是非常短的（毫秒或更小的量级）。如此，可以在流动条件下进行流体的测量。这使得能够沿微流体通道进行多次时间间隔开的测量，以监视化学反应的进行。反应可以在进入到微流体单元时正在进行，由微流体单元中馈送另外的化学物质的第二通道发起，或者，通过光、热或任何其它可以施加通过金刚石的外部影响发起。

微流体单元结构

形成所述传感器的金刚石材料优选形成限定所述微流体通道的壁的至少一部分。可以通过穿过所述金刚石材料的孔形成所述微流体通道，从而通过所述孔限定该通道。例如，可以利用激光切割，或蚀刻，该通道到金刚石材料中。如此，可以完全或至少基本上由金刚石材料形成微流体单元。替代地，该单元可以包括不同材料的基板，通道被限定在该基板之上，并且金刚石传感器位于该基板上与该通道相邻。基板材料的另外的层可以形成顶层，以完成通道，金刚石传感器设置在这些基板材料的层之间并且与通道相邻。又一替代方案是，在金刚石传感器的表面中形成通道，并利用基板材料的层完成该通道。微流体通道的一侧上的基板材料可以与该微流体通道的另一侧上的基板材料相同或不同。

可以构想用于构建微流体单元的其它布置。仅有的限制是，量子自旋缺陷位于金刚石材料中。然而，如果使用任何其它材料构建微流体单元，其并不由核自旋提供假信号，这是有利的。例如，原则上，微流体通道可以形成在金刚石以外的材料中，并且薄的金刚石裂片用于传感器。在实践中，其它材料应当优选是无核自旋的，并且这使得金刚石成为用于形成和传感器两者的良好材料。如果在构建微流体单元时采用包括核自旋的任何材料，那么它们优选应当与金刚石材料中的量子自旋缺陷分隔开以避免干扰。

另一考虑是，有利地，微流体单元应当由容易清洗和重复使用的材料制成。金刚石是特别有用的，因为它是化学和热鲁棒的，并因此可以经受使用之间的酸清洗和/或高压蒸汽处理。

图3示出了根据本发明一个实施例的基于金刚石的微流体单元的实施例。该微流体单元包括设置得与其中可以设置流体样本的通道32相邻的至少一个金刚石传感器30。所述至少一个金刚石传感器30包括一个或多个量子自旋缺陷34（诸如，NV^-缺陷），其被设置为与通道32相邻以感测位于通道32中的样本内磁场和/或电场的变化。所示的实施例包括放置在通道32的相反的侧上的两个金刚石感测元件30。然而，也构想微流体单元可以仅包括一个金刚石感测元件，或者替代地，包括多个金刚石感测元件。

微流体通道优选具有这样的至少一个尺寸，其等于或小于1mm，更特别地在100nm至1mm的范围，可选地在500nm至500μm的范围。可以选择微流体通道的大小以是选择某些核素。可以提供一个以上的通道。基于核素大小的不同，不同的通道可以具有不同的尺寸以选择不同核素。

已知许多的用于在金刚石中切割微流体通道的可能的技术。对通路（尤其是，分析通路）的直径的下限由其制造技术限定。在金刚石的情况下，一种技术是使用处于近似1μm的波长的钇-铝-石榴石（YAG）激光器。利用这样的激光器，通道的最小理论尺寸将是衍射极限点（diffraction limited spot）所产生的尺寸，即，近似等于所述波长。然而，实用的下限是约5μm。

另外的实施例使用KrF受激准分子激光器产生具有约193nm波长的紫外线辐射以制造所述通道。与YAG激光器相比短的波长允许通路具有小的直径，可能如0.5μm那么低。

尽管优选使用YAG激光器制造通路，然而这并不排除使用替代技术，诸如，三倍波长的（wavelength tripled）355nm固态激光器、其它固态激光器、染料激光器或其它激光系统。另外的替代方案是使用电子束，本领域中已知电子束能够在金刚石中产生非常精细的孔。替代地，可以利用掩模和蚀刻技术形成通道。

自旋共振装置

与前述微流体单元一起使用的自旋共振装置包括：单元接收部，用于接收微流体单元，所述微流体单元包括包含一个或多个量子自旋缺陷的金刚石传感器；光源，用于光学地泵浦所述一个或多个量子自旋缺陷；以及，检测器，用于检测来自一个或多个衰减的量子自旋缺陷的辐射。

图4中示出了这样的布置，其包括：微流体单元40，包含至少一个金刚石传感器42；光源44，诸如，激光源，被配置来激发所述微流体单元40的所述至少一个金刚石传感器42中的一个或多个量子自旋缺陷46；以及，检测器48，用于检测来自一个或多个衰减的量子自旋缺陷的辐射。

图5示出了根据本发明一个实施例的自旋共振装置的示意图。自旋共振装置包括静磁场发生器（B₀）、第一可变振荡磁场发生器（B₁）以及第二可变振荡磁场发生器（B₂）。第一可变振荡磁场发生器（B₁）优选是射频发生器，而所述第二振荡可变磁场发生器（B₂）优选是微波发生器。该装置可以还包括围绕单元接收部54设置的磁屏蔽52。在一种布置中，使用地球磁场作为静磁场，并因此不需要另外的静磁场发生器。在这样的布置中，该屏蔽可以适于将传感器与任何外部振荡场屏蔽开，而不针对静磁场。这样的屏蔽是本领域技术人员已知的。自旋共振装置还包括：光源56，其被配置来激发安装在单元接收部54中的基于金刚石的微流体单元中的量子自旋缺陷；以及光检测器58，用于检测来自所述基于金刚石的微流体单元中的量子自旋缺陷的光输出信号。所述光源可以是激光光源。所述光源可以被配置来选择性地激发处在沿微流体通道的不同位置处的量子自旋缺陷，以允许分析处于沿通道不同位置处的流体。替代地，或另外地，所述检测器可以被配置来选择性地检测来自处在沿微流体通道的不同位置处的量子自旋缺陷的辐射，以允许分析处于沿通道不同位置处的流体。

在一个替代布置中，先前描述的磁场发生器可以以电场发生器取代。诸如NV中心的缺陷的电子学结构使得本发明的实施例还可以用于测量作为磁场的替代的电场，或者除磁场以外还测量电场。

可以在自旋共振装置内设置一个或多个处理器60，并且所述一个或多个处理器60可以链接到检测器58以接收和处理辐射数据。所述一个或多个处理器60可以链接到输出部62，以用于输出结果。输出部62可以包括用于显示自旋共振数据的显示屏幕。所述一个或多个处理器60和显示器62可以集成到自旋共振装置中。替代地，或另外，输出部62可以适于发送数据到外部装置（诸如，膝上型或桌面型计算机），以用于处理和显示数据。

根据本发明的另一方面，自旋共振装置设置有集成的微流体单元。根据一种布置，流体样本可以注入到微流体单元中，然后将该单元放置到自旋共振装置中以用于分析所述样本。根据另一布置，微流体单元被安装到自旋共振装置中，并且样本被通过自旋共振装置内的注入端口注入到微流体单元中。在后一情况下，自旋共振装置适于具有配置用于将流体样本注入到设置在自旋共振装置内的微流体单元中的注入端口。

微流体自旋共振装置作用如下。

微流体通道内的样本经受静磁场B₀。通过对样本施加静磁场B₀，样本内的核素的自旋优选地与所施加的磁场对准。然后施加振荡射频磁场B₁到该样本并且频率变化。在该振荡磁场B₁进入与核自旋共振时，其使核自旋翻转以与静磁场B₀的方向相反地取向。该转变导致可以被感测和检测的局部磁场变化。由于围绕的电子的局部屏蔽影响以及紧密间隔的核自旋之间的自旋-自旋相互作用，不同的核素将在所施加的振荡磁场B₁的不同的频率处自旋翻转。

至此，所描述的装置功能如同标准的NMR装置，但是利用小得多的样本体积和低得多的静磁场，允许使用小的磁体（或者实际上如果使用地球磁场则没有磁体），并因此允许装置整体的小型化。与标准的NMR装置相反，利用设置在位置与微流体通道相邻的高纯度金刚石材料中的一个或多个量子自旋缺陷检测由核自旋翻转导致的局部磁场变化，如下面参考NV^-缺陷所描述的。

NV^-缺陷设置在先前描述的静磁场B₀内。因此，NV^-缺陷内电子自旋态m_s=±1的简并被以如Steinert等人描述的方式分裂。利用处于532nm的光学激光源激发NV^-缺陷，导致电子从³A基态激发到³E激发态。激发的m_s=0电子在跃迁回到基态时发荧光并且该荧光被检测。施加振荡微波场到该NV^-缺陷并且频率变化。在振荡微波场与NV^-中心的电子自旋共振时，其使得电子经受到m_s=±1态的跃迁。如Steinert等人先前描述的，可以通过扫描微波（MW）频率，导致光学检测的磁共振（ODMR）谱中的特征垂度，来探测共振自旋跃迁，参考图2a。

现在，m_s=±1态的能量将依赖于静磁场B₀，但是将被由振荡rf磁场引起的样本中核自旋翻转所导致的磁场中的局部变化扰动。如此，在样本中的核自旋与振荡rf场共振时，在NV^-缺陷中将出现电子自旋共振的微波频率将被偏移。通过出现荧光的垂度中的偏移检测这些变化。如此，经由NV^-缺陷中的电子自旋共振的变化光学地检测微流体样本中的核自旋共振。因此，可以处理光信号来产生NMR数据。这可以是处于表示化学偏移数据的NMR谱的形式。替代地，或者另外地，如果在沿通道的不同位置处进行多个光学读取，则可以对于样本产生磁共振图像（MRI）。替代地，或者另外地，可以利用该技术测量电场中的变化。

可以在自旋共振装置的显示屏幕上显示该数据。替代地，数据可以传送（有线地或无线地）到外部装置（诸如，膝上型或桌面型计算机），以用于处理和显示。在这种情况下，自旋共振装置内的处理和显示可以被简化，并且在大小和成本方面降低。可以提供适当的计算机程序在标准计算机上运行，以接收、处理和显示便携式自旋共振装置收集的数据。

图6示出了根据本发明一个实施例的用于分析被加载到包括金刚石传感器的微流体单元中的流体样本的输入和输出信号。所述输入信号包括：静磁场（B₀），用于使金刚石传感器的量子自旋缺陷中的m_s=±1电子自旋态的简并分裂，以及用于使流体样本中衰减的核自旋态分裂；可变射频磁场（RF），用于操纵流体样本中核自旋态；可变微波频率磁场（MW），用于操纵金刚石传感器中电子自旋态；激发光源（LS），用于将金刚石传感器中的量子自旋缺陷内的电子激发到激发态；以及，来自量子自旋缺陷中衰减的自旋态的荧光信号（FS）。

作为对使用高纯度量子级单晶金刚石材料来改善金刚石材料内的所述一个或多个量子自旋缺陷的去相干时间的替代，或者除此之外，还可以选择并采用适当的脉冲序列来增加去相干时间。如此，自旋共振装置可以被配置来施加脉冲信号到传感器中的所述一个或多个量子自旋缺陷，以增加去相干时间，并因此改善灵敏度。典型的脉冲序列将包括π/2脉冲，继之以π脉冲，继之以另一π/2脉冲。

替代的微流体单元结构

图7示出了根据本发明另一实施例的微流体单元。在该布置中，至少一个金刚石感测元件70包括其中设置了一个或多个量子自旋缺陷74的高纯度量子级金刚石层72。所述至少一个金刚石感测元件70还包括低级别金刚石材料的第二层76。低级别金刚石材料76和高级别金刚石材料72优选形成单晶金刚石材料。可以利用多阶段CVD生长工艺制造这样的布置，如图8中所示。

图8示出了根据本发明一个实施例的形成基于金刚石的微流体传感器的逐步工艺处理。

在步骤(A)中，在基板80上生长相对低纯度的单晶金刚石材料的层82。

在步骤(B)中，在该低级别的单晶CVD金刚石层82之上原位生长高纯度量子级金刚石的第二层84。

在步骤(C)中，临近该量子级金刚石材料的上表面形成一个或多个量子自旋缺陷86。其可以经由注入或者经由例如通过增加氮浓度的直接生长来将NV^-缺陷生长到CVD金刚石材料中（可以在800°C或更高温度执行退火以使空位缺陷移动从而使得它们与氮缺陷配对以形成NV^-中心）。

可以对所得到的单晶CVD金刚石进行去除，处理以形成与所述一个或多个量子自旋缺陷相邻的低表面粗糙度精研（finish），以及将其并入到与该单元的通道相邻的微流体单元中。替代地，可以执行另外的CVD金刚石生长步骤。例如，在步骤(D)中，生长另外的高纯度CVD金刚石层88，继之以另外的低级别单晶金刚石材料层90，如步骤(E)中所示。在步骤（F）中，将CVD单晶分层结构从基板移除，然后切割与所述一个或多个量子自旋缺陷86相邻的通过金刚石晶体的通道92，以形成微流体单元。

可以提供出向耦合（out-coupling）结构以改善灵敏度。出向耦合结构可以在形成传感器的金刚石主体之后形成，或者，其可以在传感器的金刚石主体的形成期间形成，作为用于形成传感器的金刚石主体的处理的一体的一部分。该出向耦合结构可以例如形成在传感器的金刚石表面中，即，该出向耦合结构通过传感器的金刚石表面一体地形成。图9示出了微流体单元的另一实施例，其包括：金刚石传感器94、通道96、一个或多个量子自旋缺陷98、以及出向耦合结构100。所示的实施例包括金刚石传感器，所述金刚石传感器具有低纯度和高纯度单晶金刚石层102、104，如同图7所示的实施例中那样。然而，该金刚石传感器当然可以具有更简单的结构，诸如，图中3示出的结构与出向耦合结构组合。

所述出向耦合结构可以包括下列中的一个或多个：凸的表面；微透镜阵列；固态浸没透镜（SIL）；多个表面凹陷或纳米结构；衍射光栅；菲涅耳透镜；以及，覆层，诸如，防反射覆层。此外，可以设置出向耦合结构来增加来自设置在高质量单晶金刚石材料部分内的所述一个或多个量子自旋缺陷的光的出向耦合。还可以将反射镜（诸如，Bragg反射镜）附接、沉积、或蚀刻到传感器的表面上以增加向着检测器的出向耦合。

图10和11示出了根据本发明实施例的形成微流体单元的方法的另外的示例。所示的方法两者包括生长（而不是注入）量子自旋缺陷，并且解决了如何控制微流体通道和量子自旋缺陷之间的间隔的问题。

图10示出了用于形成具有多个微流体通道和多个缺陷线的微流体单元的方法。每一通道具有至少一个缺陷线，沿其长度与通道均匀地间隔开。

在步骤(A)中，利用CVD工艺生长金刚石材料的分层堆叠。该堆叠中的每一水平线110指示包括量子自旋缺陷的金刚石薄层。例如，在该生长工艺期间，可以周期性地增加氮含量以形成一系列的包括NV^-缺陷的薄层。可以通过本征的金刚石层112将这些薄的含有量子自旋缺陷的层分开。

一旦形成分层结构，将其沿垂直线114分裂（解理）开，例如通过激光切割，形成包括一系列的量子自旋缺陷线的层。

在步骤(B)中，使用前述的层作为基板以在其上生长高纯度金刚石层116。然后将该层沿水平线118分裂开，以便产生其上设置包括量子自旋缺陷线的薄层的高纯度金刚石层116。该分裂可以利用激光或利用注入释放机制执行。注入释放可能是特别有用的，因为其可以产生非常薄的层。

在步骤(C)中，切割一系列的通道或槽120到该薄层中，从而使得每一通道120与至少一个量子自旋缺陷线110平行地行进并且与该至少一个量子自旋缺陷线110间隔短且均匀一致的距离。

最后，在步骤(D)中，在通道120之上设置另外的层122，以封上通道并形成微流体单元。

图11示出了形成具有围绕微流体通道设置的量子自旋缺陷环的微流体单元的方法。

在步骤A中，提供了金刚石材料层130。这可以是高纯度金刚石材料。

在步骤(B)中，环状的槽/通道132被切割到金刚石层130的表面中。

在步骤(C)中，在层130之上沉积包括量子自旋缺陷的层134。

在步骤（D）中，量子自旋缺陷的层被平坦化，使得包括量子自旋缺陷的金刚石材料仅保持在所述环状槽中，因此形成含有量子自旋缺陷的金刚石材料的环136。

最后，在步骤(E）中，形成通道138，其行进通过含有量子自旋缺陷的金刚石材料的环。

示例综合

选择合成类型的1b HPHT金刚石板，具有一对（001）的在近似5°内的近似平行的主面。该板被制造成方基板，其适于通过包含下列步骤的工艺的单晶CVD金刚石材料的同质外延合成：

i）激光切割基板以产生具有全<100>边缘的板；

ii）研磨及抛光其上要进行生长的主表面，研磨和抛光的部分具有约3.6mm×3.6mm厚535μm的尺寸，所有面都是{100}。

通过如EP1292726和EP1290251中所公开的那样仔细制备基板，使基板表面处或基板表面下的缺陷级最小化。可以利用揭示性的等离子蚀刻揭示通过该工艺引入的缺陷级。可以例行地产生其中揭示性的蚀刻之后可测量的缺陷密度主要依赖于材料质量并且低于5x10³mm^-2并且通常低于10²mm^-2的基板。该基板安装到基板载体上。然后基板及其载体被引入到CVD反应器腔室中，并通过馈送气体到该腔室中开始蚀刻和生长循环，如下。

首先，在165Torr的压力和803°C的基板温度执行原位氧等离子蚀刻，继之以氢蚀刻，在该阶段氧被从气流移除。然后，通过以40sccm（标准立方厘米每分钟）添加甲烷，开始第一阶段生长工艺。增加氮来在气相中实现700ppb的级别。在该工艺气体中还存在氢。在该阶段基板温度为866°C。然后将甲烷含量增加到175sccm。

在阶段1生长层达到1.7mm的厚度之后，通过去除已经添加到气相的氮开始阶段2生长。在阶段2生长层达到0.9mm的厚度之后，生长终止。

对生长的CVD金刚石板的研究揭示，其在（001）面上基本无孪晶（twin）和裂缝，并且以<110>侧面为界，并且该无孪晶顶（001）面的合成后尺寸增加到5.4mm×5.4mm。

然后可以通过注入NV^-缺陷层，抛光与NV^-缺陷层相邻的表面，以及形成与抛光表面相邻的微流体通道，来将通过前述方法生产的CVD金刚石材料加工成传感器。

应用

本发明的某些实施例提供了一种小且鲁棒的便携式自旋共振装置，优选地，提供了一种手持装置，用于分析流体样本。本发明的一个方面涉及一种微流体单元，其包括金刚石传感器，所述金刚石传感器适于感测来自设置在微流体单元的通道中的流体样本的自旋共振信号。本发明的另一方面涉及一种适于与所述微流体单元一起使用的自旋共振装置。该自旋共振装置可以是核自旋共振（NMR）装置和/或电子自旋共振（ESR）装置。微流体单元可以被提供作为自旋共振装置的一体化的部件，或者可以使自旋共振装置适于使得微流体单元可以可移除地安装在该装置内。

本发明的实施例具有宽泛的可能的应用范围。例如，某些实施例可以提供一种手持式医疗诊断装置，取代当前仅在特殊的分析实验室中可用的医疗诊断装置，以提供一种可以在现场、在医生诊所、以及在全世界的医院使用的装置，为病人诊断和快速治疗开启了新的机遇。该基础性的技术是低成本的，并且将金刚石数据转换成有用的分析数据所需的校准数据已存在。

在实践中，便携式低成本NMR机器很可能具有许多其它优点，尤其是对于良好原位分析，其中苛刻的化学和物理环境使得金刚石成为极佳的选择。该能力可以与基于金刚石的电化学传感器耦合。

利用金刚石作为微流体单元中的感测材料的益处包括：

（a）金刚石的生物相容性

（b）可以在例如用于电化学消毒的掺杂硼的尖端中构建金刚石功能性的其它方面，如果使用在人体上的话

（c）金刚石的机械鲁棒性

（d）金刚石的通常的惰性

（e）金刚石中的缺陷稳定性

（f）金刚石中的缺陷的温度不敏感性

根据本发明的某些实施例，金刚石中的NV^-缺陷提供了一种以前所未有的灵敏度和空间分辨率的组合测量由电子自旋和核自旋产生的磁场和/或电场的方法。可以将MRI装置和/或NMR装置集成到金刚石芯片中而不需要大的磁场。利用基于金刚石的微流体单元，可以使小体积的液体通过整体NV^-缺陷，并且可以对样本进行MRI和/或NMR扫描。这样的扫描器可以用在从生物医学应用到废水管理的广泛的应用中。例如，血液的NMR分析早已被用作惯常的测量手段，其中血液样本被送走用于分析。例如，Liposcience^TM使用NMR来测量低密度脂蛋白的浓度。脂蛋白与动脉壁相互作用，并且在一系列的事件中在运动中固化，导致冠状动脉粥样硬化。包括基于金刚石的微流体单元的紧凑式扫描器可以对血液进行原位MRI/NMR，允许快速的医疗诊断和治疗响应。

尽管已经参考优选实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以进行形式和细节的多种变化而不偏离如所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims

1.一种微流体单元，包括：

微流体通道，用于接收流体样本；以及

传感器，设置得与所述微流体通道相邻；

2.根据权利要求1的微流体单元，其中所述金刚石材料是单晶金刚石材料。

3.根据权利要求1的微流体单元，其中所述金刚石材料是单晶CVD金刚石材料。

4.根据权利要求2或3的微流体单元，其中所述单晶金刚石材料包括具有等于或大于0.5mm、1mm、2mm、或3mm的至少一个尺寸的单晶金刚石。

5.根据任一在先权利要求的微流体单元，其中所述金刚石材料的至少一部分由如下的单晶金刚石材料形成，所述单晶金刚石材料具有下列中的一个或多个：等于或小于20ppb、10ppb、5ppb、1ppb、或0.5ppb的中性单取代氮浓度；等于或小于0.15ppb、0.1ppb、0.05ppb、0.001ppb、0.0001ppb、或0.00005ppb的NV^-浓度；以及，等于或小于0.9%、0.7%、0.4%、0.1%、0.01%、或0.001%的13C的总浓度。

6.根据权利要求5的微流体单元，其中所述至少一个部分包括具有等于或大于0.1μm、1μm、10μm、100μm、200μm、或500μm的厚度的层。

7.根据权利要求5或6的微流体单元，其中所述金刚石材料的至少一个另外部分由具有下列中的一项或多项的单晶金刚石材料形成：等于或大于30ppb、50ppb、100ppb、200ppb、300ppb、500ppb、700ppb、或800ppb的单取代氮浓度；等于或大于0.3ppb、0.5ppb、1ppb、2ppb、3ppb、5ppb、7ppb、或8ppb的NV^-浓度；以及¹³C的自然丰度。

8.根据权利要求7的微流体单元，其中所述至少一个另外部分的中性单取代氮浓度是所述至少一个部分的中性单取代氮浓度的至少5、10、20、50、100、500、1000、或10000倍的中性单取代氮浓度。

9.根据权利要求7或8的微流体单元，其中所述至少一个另外部分具有下列中的一项或多项：等于或小于5ppm、2ppm、或1ppm的中性单取代氮浓度；以及等于或等于或小于50ppb、20ppb、或10ppb的NV^-浓度。

10.根据权利要求5至9中任何一项所述的微流体单元，其中所述金刚石材料由包括所述至少一个部分以及所述至少一个另外部分的单晶金刚石形成，从而这些部分通过被并入到所述单晶金刚石中而耦接在一起。

11.根据任一在先权利要求的微流体单元，其中所述一个或多个量子自旋缺陷包括一个或多个NV^－缺陷。

12.根据任一在先权利要求的微流体单元，其中所述一个或多个量子自旋缺陷包括注入的或内生长的量子自旋缺陷。

13.根据任一在先权利要求的微流体单元，其中所述一个或多个量子自旋缺陷被设置在距所述微流体通道等于或小于100nm、80nm、50nm、30nm、20nm、或10nm的距离处。

14.根据任一在先权利要求的微流体单元，其中多个量子自旋缺陷被沿着所述微流体通道设置在距所述微流体通道等于或小于100nm、80nm、50nm、30nm、20nm、或10nm的距离处。

15.根据权利要求14的微流体单元，其中所述多个量子自旋缺陷被设置在与所述微流体通道基本上平行的线、带、或层中。

16.根据任一在先权利要求的微流体单元，其中所述一个或多个量子自旋缺陷被设置在所述微流体通道的一个以上的侧面上。

17.根据任一在先权利要求的微流体单元，其中所述微流体通道具有至少一个如下尺寸，所述尺寸等于或小于1mm，更特别地，在100nm至1mm的范围中，可选地在500nm至500μm的范围中。

18.根据任一在先权利要求的微流体单元，其中所述金刚石材料形成限定所述微流体通道的壁的至少一部分。

19.根据任一在先权利要求的微流体单元，其中通过穿过所述金刚石材料的孔限定所述微流体通道。

20.根据任一在先权利要求的微流体单元，其中所述微流体通道的至少一部分由与所述单晶金刚石材料不同的材料形成。

21.根据任一在先权利要求的微流体单元，其中所述传感器包括两个或更多个单晶金刚石材料，所述微流体通道设置在它们之间。

22.根据任一在先权利要求的微流体单元，其中所述微流体单元包括多个微流体通道。

23.根据权利要求22的微流体单元，其中所述多个微流体通道包括具有不同尺寸的通道。

24.根据任一在先权利要求的微流体单元，其中在所述金刚石材料的表面处形成出向耦合结构以用于增加光的出向耦合。

25.根据权利要求24的微流体单元，其中所述出向耦合结构形成在所述金刚石材料的表面中，从而所述出向耦合结构通过所述金刚石材料的所述金刚石表面一体地形成。

26.根据权利要求24或25的微流体单元，其中所述出向耦合结构包括下列中的一个或多个：凸的表面；微透镜阵列；固态浸没透镜（SIL）；多个表面凹陷或纳米结构；衍射光栅；菲涅耳透镜；以及，覆层，诸如，防反射覆层。

27.一种制造如前面任一权利要求中所述的微流体单元的方法，所述方法包括：

利用化学气相沉积技术生长金刚石材料；在所述金刚石材料中形成一个或多个量子缺陷；以及形成与所述一个或多个量子自旋缺陷相邻的微流体通道。

28.根据权利要求27的方法，其中在所述金刚石材料中形成一个或多个量子自旋缺陷包括注入所述一个或多个量子自旋缺陷。

29.根据权利要求28的方法，其中所述注入在所述微流体通道的形成之前或之后执行。

30.根据权利要求27的方法，，其中在所述单晶金刚石中形成一个或多个量子自旋缺陷包括在化学气相沉积生长阶段期间将量子自旋缺陷生长到所述单晶金刚石中。

31.根据权利要求27至30中任何一项所述的方法，其中通过利用激光的切割或者通过蚀刻到所述金刚石材料中在所述单晶金刚石中形成所述微流体通道。

32.一种自旋共振装置，包括：

单元接收部，用于接收如权利要求1至26中的任意一个所述的微流体单元；

第二可变振荡场发生器，用于在所述微流体单元被安装在所述单元接收部中时操纵设置在所述微流体单元的所述传感器中的一个或多个量子自旋缺陷；

33.根据权利要求32的自旋共振装置，其中所述第一可变振荡场发生器和所述第二振荡可变场发生器是磁场或电场发生器。

34.根据权利要求32或33的自旋共振装置，其中所述第一可变振荡场发生器是射频发生器而所述第二振荡可变场发生器是微波发生器。

35.根据权利要求32至34中任何一项所述的自旋共振装置，还包括静态场发生器。

36.根据权利要求35的自旋共振装置，其中所述静态场发生器是磁场或电场发生器。

37.根据权利要求32至36中任何一项所述的自旋共振装置，还包括设置在所述单元接收部周围的磁屏蔽。

38.根据权利要求32至37中任何一项所述的自旋共振装置，还包括链接至检测器以接收和处理辐射数据的一个或多个处理器。

39.根据权利要求38的自旋共振装置，还包括链接至所述一个或多个处理器的输出，用于输出结果。

40.根据权利要求39的自旋共振装置，其中所述输出包括用于显示所述一个或多个处理器根据所述辐射数据产生的自旋共振数据的显示屏幕。

41.根据权利要求39或40的自旋共振装置，其中所述输出被配置为发送数据至外部装置，以用于处理和显示自旋共振数据。

42.根据权利要求32至41中任何一项所述的自旋共振装置，其中所述单元接收部被配置为可移除地安装所述微流体单元。

43.根据权利要求32至41中任何一项所述的自旋共振装置，其中所述单元接收部被配置为一体地地安装所述微流体单元。

44.根据权利要求32至43任何一项所述的自旋共振装置，还包括注入端口端口，配置用于在所述微流体单元被设置在所述单元接收部内时将流体样本注入到所述微流体单元中。

45.根据权利要求32至44中任何一项所述的自旋共振装置，包括安装在所述单元接收部中的根据权利要求1至26中任何一项所述的微流体单元。

46.根据权利要求32至45中任何一项所述的自旋共振装置，还被配置为分开寻址沿着所述微流体通道的量子自旋缺陷以在化学处理沿着所述微流体通道进行时监视所述化学处理。

47.一种分析流体样本以产生自旋共振数据的方法，所述方法包括：

将流体样本加载到根据权利要求1至26中任何一项的微流体单元中；以及

利用根据权利要求32至46中任何一项的自旋共振装置分析所述流体样本以产生所述样本的自旋共振数据。

48.根据权利要求47的方法，其中所述自旋共振数据是核磁共振（NMR）数据。

49.根据权利要求48的方法，其中所述NMR数据是表示化学偏移信息的NMR谱。

50.根据权利要求48的方法，其中所述NMR数据是磁共振图像。

51.根据权利要求47的方法，其中所述自旋共振数据是电子自旋共振（ESR）数据。