基于量子特性，电子自旋传感器具有高灵敏度，可以广泛应用于探测各种物理化学性质，如电场、磁场、分子或蛋白质动力学以及核或其他粒子等。这些独特的优势和潜在应用场景，使基于自旋的传感器成为当前热点的研究方向。Sc₃C₂@C₈₀具有由碳笼保护的高度稳定的电子自旋，适用于多孔材料内的气体吸附检测。Py-COF是一种最近出现的具有独特吸附性能的多孔有机框架材料，它使用具有甲酰基和氨基的自缩合构建块制备，其理论孔径为1.38 nm。因此，一种金属富勒烯Sc₃C₂@C₈₀单元（尺寸约0.8 nm）可以进入Py-COF的一个纳米孔。

中国科学院化学研究所王太山研究员开发了一种基于金属富勒烯的纳米自旋传感器，用于探测多孔有机框架内的气体吸附情况。将顺磁性金属富勒烯，Sc₃C₂@C₈₀嵌入基于芘基的共价有机框架(Py-COF)的纳米孔中。使用EPR技术(国仪量子EPR200-Plus)记录嵌入Sc₃C₂@C₈₀自旋探针的Py-COF内吸附的N₂、CO、CH₄、CO₂、C₃H₆和C₃H₈。研究表明，嵌入Sc₃C₂@C₈₀的EPR信号有规律地随Py-COF的气体吸附性能有关。研究结果以“Embedded nano spin sensor for in situ probing of gas adsorption inside porous organic frameworks”为题，发表在Nature Communications上。

利用 Sc₃C₂@C₈₀ 的分子自旋探测 Py-COF 的气体吸附性能

在研究中，作者使用一种具有顺磁性金属富勒烯，Sc₃C₂@C₈₀(尺寸约0.8 nm)作为自旋探针嵌入到基于芘基的COF(Py-COF)的一个纳米孔，检测Py-COF内的气体吸附。然后，通过记录嵌入的Sc3C2@C80 EPR信号，研究了Py-COF对N₂、CO、CH₄、CO₂、C₃H₆和C₃H₈气体的吸附性能。研究表明，Sc₃C₂@C₈₀的EPR信号有规律地随Py-COF的气体吸附性能有关。并且与传统的吸附等温线测量不同，这种可植入的纳米自旋传感器可以通过原位实时监测来探测气体的吸附和解吸。所提出的纳米自旋传感器还用于探测金属-有机框架(MOF-177)的气体吸附性能，证明了其多功能性。

气体吸附性能与EPR信号的关系

气压对EPR信号的影响

EPR信号线宽分析

用Sc3C2@C80的分子自旋法探讨MOF-177的气体吸附过程

摘要

Nature Communications：嵌入式纳米自旋传感器用于原位探测多孔有机框架内气体吸附

Embedded nano spin sensor for in situ probing of gas adsorption inside porous organic frameworks. Nature Communications (2023)

自旋传感器因其高灵敏度而备受关注。在此，我们开发了一种基于金属富勒烯的纳米自旋传感器，用于探测多孔有机框架内的气体吸附情况。为此，我们选择了顺磁性金属富勒烯Sc₃C₂@C₈₀，并将其嵌入芘基共价有机框架（Py-COF）的纳米孔中。使用电子顺磁共振波谱（EPR）技术检测了Sc₃C₂@C₈₀在Py-COF中吸附N₂、CO、CH₄、CO₂、C₃H₆和C₃H₈后的信号。结果表明，嵌入Sc₃C₂@C₈₀后EPR信号有规律变化，这与Py-COF的气体吸附性能有关。与传统的吸附等温线测量方法不同，这种植入式纳米自旋传感器可以对气体的吸附和解吸进行原位实时监测。所提出的纳米自旋传感器还被用于探测金属有机框架(MOF-177)的气体吸附性能、证明了它的多功能性。因此，该纳米自旋传感器适用于量子传感和精密测量。