當(dāng)食物變質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高度活性分子，即所謂的自由基。食品工業(yè)必須竭盡全力檢測(cè)這些分子，或者使用化學(xué)方法，或者使用唯一的直接方法——即電子順磁共振（electron paramagnetic resonance，EPR）。電子順磁共振是由不配對(duì)電子的磁矩發(fā)源的一種磁共振技術(shù)，可用于從定性和定量方面檢測(cè)物質(zhì)原子或分子中所含的不配對(duì)電子，并探索其周圍環(huán)境的結(jié)構(gòu)特性。對(duì)于自由基而言，軌道磁矩幾乎不起作用，總磁矩的絕大部分（99%以上）的貢獻(xiàn)來(lái)自電子自旋，所以電子順磁共振亦稱“電子自旋共振”（ESR）。但是，傳統(tǒng)的電子順磁共振儀器采用電磁鐵，不能用電池供電，而且購(gòu)買和操作費(fèi)用都很昂貴。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，從德國(guó)斯圖加特大學(xué)（University of Stuttgart）獨(dú)立出來(lái)運(yùn)營(yíng)的初創(chuàng)公司SpinMagIC正在開(kāi)發(fā)一種用于測(cè)量食品保質(zhì)期的量子傳感器，該量子傳感器僅有手掌大小。
SpinMagIC開(kāi)發(fā)的量子傳感器采用一顆微型芯片和輕量化3D打印磁鐵來(lái)檢測(cè)自由基，是傳統(tǒng)的“笨重”電子自旋共振設(shè)備的經(jīng)濟(jì)型替代品。
除了食品質(zhì)量檢測(cè)，SpinMagIC量子傳感技術(shù)還有望應(yīng)用于電池監(jiān)測(cè)、藥品測(cè)試和環(huán)境污染測(cè)量等。
手掌上方左邊是一塊永磁鐵，旁邊是一塊綠色電路板（PCB），
上面有一顆集成微型芯片量子傳感器（EPRoC，片上EPR）。
SpinMagIC旨在利用這種小到可以放在手掌中的量子傳感器，變革食品保質(zhì)期和其它關(guān)鍵特性的測(cè)量方法。SpinMagIC已獲得德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和氣候保護(hù)部（BMWK）下屬EXIST研究轉(zhuǎn)讓計(jì)劃的資助。這筆資金將為該團(tuán)隊(duì)提供為期兩年的資金支持，以開(kāi)發(fā)量子傳感技術(shù)并將其推向市場(chǎng)。
應(yīng)用廣泛的緊湊型量子傳感器
SpinMagIC的量子傳感技術(shù)利用電子自旋共振來(lái)檢測(cè)自由基——具有未配對(duì)電子的活性分子，在食品分解和其它化學(xué)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的電子自旋共振設(shè)備體積龐大，重量超過(guò)一噸，價(jià)格高達(dá)數(shù)十萬(wàn)歐元，限制了其廣泛應(yīng)用。
“我們微型化的量子傳感器技術(shù)已經(jīng)整裝待發(fā)。”德國(guó)斯圖加特大學(xué)智能傳感器研究所研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Jens Anders教授表示，“現(xiàn)在，我們需要全力將量子傳感器推向市場(chǎng)。”
SpinMagIC創(chuàng)新的核心在于量子傳感器微型化。新系統(tǒng)無(wú)需依賴笨重的設(shè)備，而是采用一顆不超過(guò)一平方毫米的微型芯片，并集成了高頻電路元件。其中，利用3D打印技術(shù)制造的輕量化磁鐵僅重40克，可提供必要的磁場(chǎng)。這些組件結(jié)合在一起，為測(cè)量液體中的自由基提供了一種小巧便攜、經(jīng)濟(jì)高效的方法。
工作原理
SpinMagIC開(kāi)發(fā)的量子傳感器既可以直接浸入液體樣品中，也可以連接到將樣品輸送到芯片上的微泵。然后，該裝置會(huì)激發(fā)樣品中的未配對(duì)電子，并檢測(cè)其量子響應(yīng)（與自由基的數(shù)量相關(guān)）。檢測(cè)結(jié)果會(huì)立即顯示出來(lái)，為評(píng)估產(chǎn)品質(zhì)量提供了一種簡(jiǎn)單、快速、可靠的方法。
其研究小組的物理學(xué)家Belal Alnajjar表示：“這種輕型磁鐵非常精確，磁環(huán)的選擇確保了磁場(chǎng)的高度均勻性，其設(shè)計(jì)能夠在不影響功能的情況下最大限度地減輕重量。”
從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)
SpinMagIC團(tuán)隊(duì)包括來(lái)自德國(guó)斯圖加特和柏林的研究人員，結(jié)合了工程、物理和商業(yè)方面的專業(yè)知識(shí)。在斯圖加特，Jens Anders教授的博士研究員Alnajjar和Anh Chu專注于開(kāi)發(fā)核心技術(shù)，包括磁鐵、微型芯片和電路板。在柏林，博士研究員Michele Segantini利用其在食品行業(yè)的關(guān)系，致力于橄欖油質(zhì)量評(píng)估等應(yīng)用。SpinMagIC團(tuán)隊(duì)的業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人Jakob Fitschen管理財(cái)務(wù)和經(jīng)營(yíng)。
這家初創(chuàng)公司的名稱“SpinMagIC”反映了其量子傳感器的核心組成：“Spin”代表電子自旋，“Mag”代表磁場(chǎng)，“IC”代表集成電路。
Chu說(shuō)：“我們的量子傳感器體積小巧，價(jià)格低廉，測(cè)量精度極高。”
食品以外的更廣泛潛力
SpinMagIC最初聚焦的是食品保質(zhì)期應(yīng)用，但其技術(shù)具有深遠(yuǎn)的意義。它可以用于測(cè)量充電電池的狀態(tài)、監(jiān)測(cè)空氣和水污染，以及改進(jìn)化學(xué)制造中的催化過(guò)程。在制藥領(lǐng)域的應(yīng)用也指日可待。
“未來(lái)兩年，BMWK將為我們提供固定預(yù)算。”Chu說(shuō)，“但我們也歡迎風(fēng)險(xiǎn)投資公司和私人投資者。”
雖然SpinMagIC的量子傳感器還沒(méi)有微型化到能集成進(jìn)入智能手表等可穿戴設(shè)備，但是，研究人員的長(zhǎng)期計(jì)劃是要讓它進(jìn)一步小型化。該團(tuán)隊(duì)相信，其經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的精確測(cè)量技術(shù)會(huì)在兩年內(nèi)吸引很多試點(diǎn)客戶。
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