阅读说明：本技术 高通量单分子磁共振的测量装置以及测量方法 (High-flux single-molecule magnetic resonance measuring device and measuring method ) 是由 王鹏飞 蔡明诚 郭忠智 石发展 杜江峰 于 2019-04-22 设计创作，主要内容包括：本发明实施例公开了一种高通量单分子磁共振的测量装置以及测量方法,其中,该测量装置中的激光产生元件出射的激光为多点激发光,且所述多点激发光的相位不完全相同,从而在激发所述金刚石样品中的NV色心时,可以同时激发位于所述多点激发光光路上的多个NV色心,实现一次测量多个NV色心,提高测量效率。另外,该装置各点激发光形成的光斑较小,从而在激发所述金刚石样品中的多个NV色心时,每点激发光照射的区域较小,实现以单个NV色心作为磁共振传感单元,空间分辨率较高,进而实现单个分子的信号的测量。(The embodiment of the invention discloses a high-flux single-molecule magnetic resonance measuring device and a measuring method, wherein laser emitted by a laser generating element in the measuring device is multi-point exciting light, and the phases of the multi-point exciting light are not completely the same, so that when an NV color center in a diamond sample is excited, a plurality of NV color centers on a light path of the multi-point exciting light can be excited simultaneously, a plurality of NV color centers can be measured at one time, and the measuring efficiency is improved. In addition, the light spot formed by the excitation light of each point of the device is small, so that when a plurality of NV color centers in the diamond sample are excited, the area irradiated by the excitation light of each point is small, a single NV color center is used as a magnetic resonance sensing unit, the spatial resolution is high, and the signal measurement of a single molecule is further realized.)

高通量单分子磁共振的测量装置以及测量方法

技术领域

本发明涉及磁共振测量技术领域，尤其涉及一种高通量单分子磁共振测量装置以及测量方法。

背景技术

金刚石中的氮-空位缺陷中心(即nitrogen-vacancy center，简称NV色心)，已被证明在纳米尺度的磁场探测中有着显著的优势，如：NV色心的电子自旋自由度可以被微波调控，并通过光学的手段初始化和读出；NV色心在室温下的相干时间可以长达毫秒量级；NV色心是金刚石内部的一种点缺陷，本身大小只有埃量级，在共聚焦系统下定位精度可以达到纳米量级。

2015年，石发展、张琪、王鹏飞等人利用NV色心在室温大气环境中测得首张单个蛋白质分子的磁共振谱(具体参见Science 347，1135(2015))，率先实现了纳米尺度单分子磁共振探测，其测量方法包括：将蛋白质分子随机抛洒在金刚石表面，蛋白质分子将概率性地靠近NV色心；测量大量的NV色心信号，如果在该NV色心范围内恰好有待测的蛋白质分子，则该待测的蛋白质分子上的氮-氧自由基等标记会和NV色心发生偶极-偶极相互作用，改变NV色心的布居度，从而通过荧光读出NV色心的布居就可以得到该待测的蛋白质分子的信号，最终测到靠近NV色心的蛋白质分子的磁共振。但是，现有基于NV色心的磁共振谱测量装置的测量效率较低。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种高通量单分子磁共振的测量装置以及测量方法，能够同时测量多个NV色心的信号，实现多个NV色心荧光信号的同步收集，从而可以提高该测量装置的测量效率。

为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种高通量单分子磁共振测量装置，包括：

激光产生元件，产生多点激发光，所述多点激发光的相位不完全相同；

感测探头元件，包括具有多个NV色心的金刚石样品，所述金刚石样品中的多个NV色心在所述激发光的激发下产生荧光信号；

荧光收集元件，用于收集所述多个NV色心在所述激发光的激发下产生的荧光信号，并区分不同NV色心对应的荧光信号；

位置调节元件，用于调节所述激光产生元件、所述感测探头元件和所述荧光收集元件中至少一个的位置，使得所述金刚石样品的色心平面与所述多点激发光平面重合以及所述金刚石样品的荧光的光路方向与所述荧光收集元件的感光平面垂直；

微波磁场产生元件，用于产生预设磁场和预设微波场，所述预设磁场的磁场方向与所述金刚石样品的NV轴重合，所述预设微波场用于操控所述金刚石样品中的NV色心的量子态。

可选的，所述金刚石样品中所有的NV色心分布距离在所述金刚石样品表面20纳米范围内。

可选的，所述多个NV色心中任意两个NV色心之间沿第一方向之间的距离小于10纳米，沿第二方向之间的距离大于系统的光学衍射极限，其中，所述第一方向垂直于所述金刚石的表面，所述第二方向平行于所述金刚石表面。

可选的，所述激光产生元件包括：激光器、光隔离器、第一偏振片、声光调制器组、扩束系统、空间光调制器以及第一透镜系统，其中，所述激光器用于产生第一激发光；所述光隔离器用于阻挡所述光隔离器背离所述激光器一侧的激发光经反射进入所述激光器；所述第一偏振片用于将所述第一激发光的偏振方向调节至第一偏振方向；所述声光调制器组用于控制所述第一激发光的开关；所述扩束系统用于放大所述第一激发光的光斑，形成第一光斑，使得所述第一光斑覆盖整个所述空间光调制器的靶面；所述空间光调制器用于对所述第一激发光的相位进行调制，形成具有多个相位的第二激发光；所述第一透镜系统用于基于所述空间光调制器输出的多个相位的第二激发光，产生所述多点激发光。

可选的，所述声光调制器组包括：多个声光调制器，以控制所述第一激发光的开关。

可选的，所述第一透镜系统包括：第一透镜、滤光结构、第二透镜、双色镜和物镜，其中，所述第一透镜用于将具有多个相位的所述第二激发光汇聚，所述滤光结构位于所述第一透镜的焦平面上，用于阻挡所述第一透镜出射光中的零级衍射光，将汇聚的所述第二激发光中的零级衍射光过滤掉，形成第三激发光，所述第二透镜用于将所述第三激发光转换成平行的第四激发光射出，所述双色镜用于改变所述第四激发光的传输方向，使其进入所述物镜，所述物镜用于基于所述第四激发光形成所述多点激发光射出。

可选的，所述金刚石样品中位于当前视野范围内的所有NV色心位置的确定方法包括：

将当前视野范围划分为n个形状和大小相同的区域，利用所述空间光调制器产生n个激光光点，每个区域内有且仅有一个激光光点，且各光点在各自区域内的相对位置相同；改变所述空间光调制器的相位，使得每个区域内的激光光点同时扫描各自的区域，扫描中扫描到NV色心则标记并输出，记录该NV色心的位置，以获得当前视野范围内各NV色心的位置。

可选的，所述位置调节元件包括第一位置调节元件、第二位置调节元件和第三位置调节元件中的至少一个，其中，所述第一位置调节元件用于调节所述感测探头元件在预设坐标系中的位置和角度中的至少一个，所述第二位置调节元件用于调节所述激光产生元件在所述预设坐标系中的位置和角度中的至少一个，所述第三位置调节元件用于调节所述荧光收集元件在所述预设坐标系中的位置和角度中的至少一个；其中，所述第一位置调节元件包括：角度调节元件和固定在所述角度调节元件上的空间位置调节元件，所述角度调节元件包括角度调节旋钮和用于固定所述角度调节旋钮的旋转承重板，所述空间位置调节元件固定在所述旋转承重板上，其中，所述空间位置调节元件用于调节所述感测探头元件在预设坐标系中沿X、Y、Z方向上的位置，所述角度调节旋钮调节所述感测探头元件在预设坐标系中的角度。

一种高通量单分子磁共振测量方法，应用于上述任一项所述的高通量单分子磁共振测量装置，该测量方法包括：

将携带有待测分子的感测探头元件固定在位置调节元件上，所述感测探头元件包括具有多个NV色心的金刚石样品；

控制激光产生元件，产生多点激发光，所述多点激发光的相位不完全相同；

调节所述激光产生元件、所述感测探头元件和荧光收集元件中至少一个的位置，使得所述金刚石样品的色心平面与所述多点激发光平面重合以及所述金刚石样品的荧光信号的光路方向与所述荧光收集元件的感光平面垂直；

控制微波磁场产生元件产生预设磁场和预设微波场，使得所述预设磁场的磁场方向与所述金刚石样品的NV轴重合，并利用所述预设微波场操控所述金刚石样品中的NV色心的量子态；

至少执行一次采集测量数据步骤，所述采集测量数据步骤包括：利用所述激光产生元件形成多点激发光射向所述感测探头元件，所述金刚石样品中的多个NV色心在所述激发光的激发下产生荧光信号；利用所述荧光收集元件收集所述多个NV色心在所述激发光的激发下产生的荧光信号，并区分不同NV色心对应的荧光信号，获得实验数据。

可选的，所述测量方法包括：

在第三预设条件下，判断所述荧光收集元件采集到的NV色心计数是否小于预设个数；

如果所述荧光收集元件采集到的NV色心的荧光计数小于预设计数，则调节所述激光产生元件、所述感测探头元件和所述荧光收集元件中至少一个的位置，直至所述荧光收集元件采集到的NV色心的荧光计数不小于预设计数；

如果所述荧光收集元件采集到的NV色心的荧光计数不小于预设计数，继续执行所述采集测量数据步骤。

可选的，所述调节所述激光产生元件、所述感测探头元件和所述荧光收集元件中至少一个的位置，直至所述荧光收集元件采集到的NV色心的荧光计数不小于预设计数包括：

以通过NV色心扫描记录的NV色心的位置为中心，改变所述空间光调制器的相位，移动激发光点，依次扫描两个相互垂直方向，每次移动过后，记录所述荧光收集元件上得到的NV色心的荧光计数的总和；

扫描完成后，将所述空间光调制器的相位调节至NV色心的荧光计数总和最大对应的相位；

重复上述过程数次，直至NV色心的荧光计数满足第一预设条件，完成所述空间光调制器的相位漂移校准以及水平方向的热漂移的校准；

和/或，

控制所述第一位置调节元件，进行所述感测探头元件竖直方向的移动，以校准垂直方向的热漂移，所述第一位置调节元件每移动一次，通过所述荧光收集元件读出所有NV色心的荧光计数之和；

将所述第一位置调节元件移动至所有NV色心的荧光计数之和最大的位置，重复上述过程数次，直至NV色心荧光计数满足第二预设条件，完成竖直方向的热漂移的校准。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的高通量单分子磁共振的测量装置，所述激光产生元件出射的激光为多点激发光，且所述多点激发光的相位不完全相同，从而在激发所述金刚石样品中的NV色心时，可以同时激发位于所述多点激发光光路上的多个NV色心，实现一次测量多个NV色心，提高测量效率。

另外，本发明实施例所提供的测量装置中，所述激光产生元件出射的激光为多点激发光，各点激发光形成的光斑较小，从而在激发所述金刚石样品中的多个NV色心时，每点激发光照射的区域较小，实现以单个NV色心作为磁共振传感单元，空间分辨率较高，进而实现单个分子的信号的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种高通量单分子磁共振测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种激光产生元件的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种第一透镜系统基于空间光调制器产生多点激发光的原理示意图；

图4为当前视野范围内各区域的划分及其内部色心位置的示意图；

图5为当前视野范围内各区域的NV色心位置校准示意图；

图6为本发明实施例提供的一种荧光收集元件的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种第一位置调节元件的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种微波磁场产生元件的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种感测探头元件与均匀辐射结构的位置示意图；

图10为本发明实施例提供的一种高通量单分子磁共振测量方法的流程图；

图11为本发明实施例提供的一种至少执行一次采集测量数据步骤的流程图；

图12为本发明实施例提供的一种利用方波序列发生器控制激光产生元件中的声光调制器，荧光收集元件中的荧光探测器，以及微波磁场产生元件中的微波开关结构三者相结合的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，现有基于NV色心的磁共振谱测量装置的测量效率较低。

发明人研究发现，这是由于现有基于NV色心的磁共振谱测量装置以传统的光探测磁共振共聚焦系统为基础，将532纳米的激发光汇聚到单个NV色心上，并将NV色心产生的荧光通过后端针孔滤波后，采用雪崩击穿二极管进行收集，该单分子磁共振谱测量装置有共聚焦显微镜高分辨率的优点，但也受限于此，该单分子磁共振谱测量装置只能进行单点测量，即在实验过程中，该装置一次仅能测量一个NV色心，测量效率较低。

而且，由于单个分子的信号很弱，单次测量(即单个NV色心的测量)需要一天甚至更长的时间才能得到准确的磁共振谱，也会使得现有基于NV色心的磁共振谱测量装置的测量效率较低。

另外，在将蛋白质分子随机抛洒在金刚石表面，蛋白质分子概率性地靠近NV色心时，无法准确地将单个蛋白质分子绑到单个NV色心附近，使得大多数NV色心的有效探测范围内往往没有待测分子，造成无意义测量，进一步导致测量效率较低。

更糟糕的是，在测量过程中，由于待测蛋白质分子位于金刚石表面，脱离了盐缓冲液的环境，待测蛋白质分子的保质期大大缩短，通常二周左右就会变质，测量信号就会随之消失，从而导致现有测量装置在待测的蛋白质的保质期内，只能测得数个NV色心的信号，进一步降低了测量效率。

发明人检索发现，2018年，Nature volume555，pages351–354(15March2018)文章中使用了一种高通量的基于NV色心的磁共振测量装置，该磁共振测量装置采用全内反光路，使用系综NV色心作为感测探头元件，并使用10微米量级直径的激光作为激发NV色心的激发光，用光电倍增管收集NV色心产生的荧光，具体实验时，将待测样品结合在金刚石表面，利用宽场的激发光初始化和读出金刚石与待测样品结合区域的NV色心，利用特定的序列即可测得样品中氢核等核的极化信号或是涨落信号。该装置充分发挥了系综NV探头荧光信号强，探测灵敏度高的优点，能够快速测得金刚石样品表面的待测分子的磁共振谱。但是，该装置中激发和收集光路的空间激发尺度在微米量级，故同时激发微米量级内的所有NV色心，将微米量级大小的NV色心作为磁共振传感单元时，空间分辨率为微米量级，无法测量到单个分子的信号。

有鉴于此，本发明实施例提供了一种高通量单分子磁共振的测量装置。如图1所示，该高通量单分子磁共振的测量装置包括：

激光产生元件100，产生多点激发光，所述多点激发光的相位不完全相同，甚至完全不同；

感测探头元件200，包括具有多个NV色心的金刚石样品，所述金刚石样品中的多个NV色心在所述激发光的激发下产生荧光信号；

荧光收集元件300，用于收集所述多个NV色心在所述激发光的激发下产生的荧光信号，并区分不同NV色心对应的荧光信号；

位置调节元件400，用于调节所述激光产生元件100、所述感测探头元件200和所述荧光收集元件300中至少一个的位置，使得所述金刚石样品的色心平面与所述多点激发光平面重合以及所述金刚石样品的荧光的光路方向与所述荧光收集元件300的感光平面垂直；

微波磁场产生元件500，用于产生预设磁场和预设微波场，所述预设磁场的磁场方向与所述金刚石样品的NV轴重合，所述预设微波场用于操控所述金刚石样品中的NV色心的量子态，其中，所述NV色心的量子态包括基态和激发态。

需要说明的是，在本发明实施例中，所述金刚石样品中的多个NV色心不一定均在同一平面上，如果所述金刚石样品中的多个NV色心分布在不同的平面上，所述色心平面为所述金刚石样品中包括NV色心数目最多的平面，如果所述金刚石样品中的多个NV色心分布在同一平面上，所述色心平面为所述金刚石样品中多个NV色心所在的平面。

还需要说明的是，在本发明实施例中，所述金刚石样品的NV轴方向是一定的，故在本发明一个实施例中，实现所述预设磁场的磁场方向与所述金刚石样品的NV轴重合的一种方式包括：调节预设磁场扫描连续波谱，如果所连续波谱的两个波峰关于2870MHz对称，则此时预设磁场的磁场方向与所述金刚石样品的NV轴重合。

具体工作时，激光产生元件产生的多点激发光将所述金刚石样品中的NV色心的电子能级由基态激发到激发态，由于NV色心特有的激发态能级结构，当NV色心的电子能级从激发态回落到基态时将发出与基态能级布局数相对应的荧光。

由上可知，本发明实施例所提供的测量装置中，所述激光产生元件出射的激光为多点激发光，且所述多点激发光的相位不完全相同，从而在激发所述金刚石样品中的NV色心时，可以同时激发位于所述多点激发光光路上的多个NV色心，实现一次测量多个NV色心，提高测量效率。

另外，本发明实施例所提供的测量装置中，所述激光产生元件出射的激光为多点激发光，各点激发光形成的光斑较小，从而在激发所述金刚石样品中的多个NV色心时，每点激发光照射的区域较小，实现以单个NV色心作为磁共振传感单元，空间分辨率较高，进而实现单个分子的信号的测量。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，如图2所示，所述激光产生元件包括：激光器111、光隔离器112、第一偏振片113、声光调制器组114、扩束系统115、空间光调制器116以及第一透镜系统117，其中，所述激光器117可选为高功率的激光器，用于产生第一激发光；所述光隔离器112用于阻挡所述光隔离器112背离所述激光器111一侧的激发光射入所述激光器111，造成所述激光器111发生损坏；所述第一偏振片113用于将所述第一激发光的偏振方向调节至第一偏振方向；所述声光调制器组114用于控制所述第一激发光的开关；所述扩束系统115用于放大所述第一激发光的光斑，形成第一光斑，使得所述第一光斑覆盖整个所述空间光调制器116的靶面；所述空间光调制器116用于对所述第一激发光的相位进行调制，形成具有多个相位的第二激发光；所述第一透镜系统117用于基于所述空间光调制器116输出的多个相位的第二激发光，产生多点激发光，所述多点激发光的相位不完全相同。

因此，本发明实施例所提供的测量装置中，由所述空间光调制器形成的具有多个相位的第二激发光经过所述第一透镜系统(即经过傅里叶变化)形成多个光斑较小的多点激发光，从而在激发所述金刚石样品中的多个NV色心时，每点激发光照射的区域较小，实现以单个NV色心作为磁共振传感单元，空间分辨率较高，进而实现单个分子的信号的测量。

可选的，所述激光器为能产生1瓦量级的第一激发光的高功率激光器，具体的，所述第一激发光为532纳米波长的激光，在本发明其他实施例中，所述第一激发光还可以为其他波长的激光，视情况而定，本发明对此并不做具体限定。

可选的，所述第一偏振片为半波片，所述半波片将射向其的第一激发光的偏振方向调节至第一偏振方向，所述第一偏振方向为声光调节器组最适合的方向，即所述声光调制器组最敏感的方向，如声光调制器组对于光的偏振方向敏感时，一般所述第一偏振方向为竖直方向时，所述声光调节器组对第一激发光的利用效率最高，当声光调制器对光的偏振方向不敏感时，所述预设方向视实际情况而定。

需要说明的是，所述测量装置对所述激光产生元件产生的第一激光的利用效率主要由声光调制器组和空间光调制器的效率决定。在本发明实施例中，所述测量装置利用空间光调制器基于平行激发光产生多个激发光点的高效率方式，对激光利用效率可以接近或达到50％。

具体的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述声光调制器组包括：多个声光调制器，从而通过采用多个声光调制器控制第一激发光的开关，以提高第一激发光的开关比，可选的，所述声光调制器组的开关比大于或等于开关比10⁷:1。需要说明的是，所述开关比是指开状态的透光光强，与关状态的透光光强的比值，而且该比值越大表示该声光调制器组的开关性能越好。另外，还需要说明的是，不同的声光调制器组的开关比不同，所述声光调制器组所包括的声光调制器的个数越多，开关比越大。

需要说明的是，在本发明实施例中，所述多个声光调制器中第一个声光调制器的入射光为第一偏振片射出的具有第一偏振方向的第一激发光，在沿第一激发光的光路方向上的其他的声光调制器的入射光均以相邻的上一个声光调制器产生的一级衍射光作为入射光，具体的，所述声光调制器组中各声光调制器用光阑挡住上一声光调制器射向其的零级衍射光，并基于上一声光调制器中的一级衍射光产生的新的一级衍射光作为下一个声光调制器的入射光。

具体的，在本发明的一个实施例中，所述声光调制器114组包括3个声光调制器，分别为第一声光调制器、第二声光调制器和第三声光调制器，所述第一声光调制器的入射光为第一偏振片射出的具有第一偏振方向的第一激发光，所述第二光调制器的入射光为所述第一声光调制器产生的一级衍射光，所述第三调制器的入射光为所述第二声光调制器产生的一级衍射光，以实现大于10⁷:1的开关比。

需要说明的是，在上述实施例中，所述声光调制器组中各声光调制器的工作状态可以由外界方波发生器控制，也可以在所述测量装置中设置方波发生器，由内部方波发生器控制，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

还需要说明的是，所述声光调制器组中不同声光调制器之间的延迟可以通过后续的荧光收集元件进行校准。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述扩束系统115可以为透镜组，在本发明的其他实施例中，所述扩束系统115还可以为扩束器，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。需要说明的是，在本发明实施例中，所述扩束系统对第一激发光的光斑的具体的放大倍数由所述激光器产生的第一激发光的光斑大小，所述空间光调制器的靶面和空间光调制器的耐受功率共同决定的，只要保证所述第一激发光在经过扩束系统后，能够覆盖空间光调制器的整个靶面，且功率密度小于空间光调制器耐受的最高功率密度即可。

在上述任一实施例的基础上，所述空间光调制器对所述第一激发光的相位进行调制，以基于所述第一激发光产生具有多个相位的第二激发光。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，继续如图2所示，所述第一透镜系统117包括：第一透镜1171、滤光结构1172、第二透镜1173、双色镜1174和物镜1175，其中，所述第一透镜1171用于将具有多个相位的第二激发光汇聚，所述滤光结构1172位于所述第一透镜1171的焦平面上，用于阻挡所述第一透镜1171出射光中的零级衍射光，将汇聚的所述第二激发光中的零级衍射光过滤掉，形成第三激发光，所述第二透镜1173用于将所述第三激发光转换成平行的第四激发光射出，所述双色镜1174用于改变所述第四激发光的传输方向，使其进入物镜1175，所述物镜1175用于基于所述第四激发光形成多点激发光射出，该过程相当于对所述第四激发光进行了一次傅里叶变化。需要说明的是，所述第二激发光中的零级衍射光是由空间光调制器产生的。可选的，所述滤光结构1172为挡光板。

需要说明的是，上述实施例中的物镜1175与第一透镜1171、滤光结构1172、第二透镜1173、双色镜1174位于同一平面内。

在本发明的其他实施例中，当物镜1175与第一透镜1171、滤光结构1172、第二透镜1173、双色镜1174不在同一平面时，即物镜1175垂直于第一透镜1171、滤光结构1172、第二透镜1173、双色镜1174所在的平面时，此时，所述第一透镜系统117还包括位于双色镜1174和物镜1175之间的反射镜，其中，所述第一透镜1171用于将具有多个相位的第二激发光汇聚，所述滤光结构1172位于所述第一透镜1171的焦平面上，用于阻挡所述第一透镜1171出射光中的零级衍射光，将汇聚的所述第二激发光中的零级衍射光过滤掉，形成第三激发光，所述第二透镜1173用于将所述第三激发光转换成平行的第四激发光射出，所述双色镜1174用于改变所述第四激发光的传输方向，形成第五激发光，所述反射镜用于改变所述第五激发光的传输方向，使其进入物镜1175，所述物镜1175用于基于所述第五激发光形成多点激发光射出，该过程相当于对所述第五激发光进行了一次傅里叶变化。需要说明的是，所述第二激发光中的零级衍射光是由空间光调制器产生的。可选的，所述滤光结构1172为挡光板。下面结合光路图对所述第一透镜系统基于所述空间光调制器输出的多个相位的第二激发光，产生多点激发光的原理进行描述，其中所述多点激发光平面即为所述第一透镜系统中物镜的焦平面。

具体的，如图3所示，坐标(x，y)所在的平面就是NV色心平面，也就是物镜的焦平面301，则对于位于物镜的焦平面301上的两个激光点，其复振幅表达式为：

其中，x₁表示物镜焦平面301上激光点1的x轴坐标；y₁表示物镜焦平面301上激光点1的y轴坐标；x₂表示物镜焦平面301上激光点2的x轴坐标；y₂表示物镜焦平面301上激光点2的y轴坐标；表示激发光点1处对应的激发光的相位；

表示激发光点2处对应的激发光的相位；

则在物镜1175的瞳孔平面上的光场应为g(x，y)的反傅里叶变换，可表示为

其中，u₁表示物镜1175前焦面第一预设点的x轴坐标；v₁表示物镜1175前焦面第一预设点的y轴坐标；f₃表示物镜1175的焦距；所述第一预设点为物镜1175前焦面上任一点。

在第二透镜1173的前焦面上的光场应为F^-1{g(x，y)}的反傅里叶变换，可表示为

其中，u₂表示第二透镜1173前焦面第二预设点的x轴坐标，；v₂表示第二透镜1173前焦面第二预设点的y轴坐标；f₂表示第二透镜的焦距；所述第二预设点为所述第二透镜1173前焦面上任一点；

在第一透镜1171的前焦面上的光场应为F^-1{F^-1{g(x，y)}}的反傅里叶变换，为

其中，u₃表示第一透镜1171前焦面第三预设点的x轴坐标；v₃表示第一透镜1171前焦面第三预设点的y轴坐标；f₁表示第一透镜1171的焦距；所述第三预设点为所述第一透镜1171前焦面上任一点。

由上式可知，空间光调制器(SLM，Spatial Light Modulator)116上透射(或反射)的光场在x，y两个方向均具有两种空间频率，分别为：

其中，k_x1表示激发光点1对应在空间光调制器116上x轴方向的相位；

K_y1表示激发光点1对应在空间光调制器116上y轴方向的相位；

K_x2表示激发光点2对应在空间光调制器116上x轴方向的相位；

K_y2表示激发光点2对应在空间光调制器116上y轴方向的相位；

A的平方表示光强。

需要说明的是，在实际光路中，第一透镜和第二透镜之间的共焦面上设置有一个挡光板，所述挡光板的作用是阻挡零级衍射光。

由上述计算可知，NV色心平面的多点激发光对应空间光调制器输出的多个相位的第二激发光，所述空间光调制器可以通过对所述第一激发光的相位调节实现多点激发光相位的调节，形成具有多个相位的多点激发光，以产生与各NV色心相匹配的多点激发光。

需要说明的是，不同于单点激发的单分子磁共振装置和宽场激发装置，本发明实施例所提供的测量装置需要在实验前准确找到视野内所有NV色心的各自位置，以便于产生与各NV色心相匹配的多点激发光。

具体的，在本发明的一个实施例中，所述金刚石样品中位于当前视野范围内的所有NV色心位置的确定方法包括：

如图4所示，将当前视野范围划分为n个形状和大小相同的区域(如n个等大的正方形区域)，利用空间光调制器产生n个激光光点，每个区域内有且仅有一个激光光点，且各光点在各自区域内的相对位置相同；改变所述空间光调制器的相位，使得每个区域内的激光光点同时扫描各自的区域，扫描中扫描到NV色心则标记并输出，记录该NV色心的位置，以获得当前视野范围内各NV色心的位置，从而精确定位金刚石中各单NV色心的位置。

由上述方法可知，本发明实施例所提供的测量装置，只需一次扫描即可找到当前视野范围内的所有NV色心的位置，然后将各NV色心的位置输入空间光调制器，编码空间光调制器的相位，以产生与各色NV色心相匹配的多点激发光。

具体的，在本发明的一个实施例中，获得视野范围内的所有NV色心的位置后，将记录有所有NV色心位置的图输入到空间光调制器中，所述空间光调制器即可通过算法产生对应的相位灰度图，再经过傅里叶变化以后，就可以产生同时激发所有NV色心的多点激发光的点阵(即多点激发光)，再调节金刚石样品和空间光调制器的角度，并同时观察NV色心的计数，如果NV色心计数达到最大，则表明所述NV色心平面和多点激发光平面重合。

需要说明的是，在实验过程中，不可避免的存在由于热漂移或空间光调制器的相位偏移，使得NV色心与其对应的激发光光点偏离，从而导致NV色心的荧光计数下降。而本发明实施例所提供的测量装置还可以通过改变空间光调制器的调制相位和/或感测探头元件位置的方式，来校准空间光调制器的液晶调制单元的相位漂移和所述测量装置的热漂移而导致的NV色心与其对应的激发光光点偏离现象，具体的，如图5所示，该校准方法包括：

以通过NV色心扫描记录的NV色心的位置为中心，改变所述空间光调制器的相位(如附加相位)，移动激发光点，依次扫描两个相互垂直方向，可选的，每个方向移动的总距离为1微米左右，单次移动的步长为10纳米量级，每次移动过后，记录荧光收集元件上得到的NV色心的荧光计数的总和，可选的，其移动轨迹为“十”字形，如先沿“十”中的横线移动，再沿“十”中的竖线移动；

扫描完成后，将空间光调制器的相位调节至NV色心的荧光计数总和最大对应的相位；

重复上述过程数次，直至NV色心的荧光计数满足第一预设条件，即可完成空间光调制器的相位漂移校准以及水平方向的热漂移的校准。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，该校准方法还包括：

完成上述校准之后，控制位置调节元件，进行感测探头元件竖直方向的移动，以校准垂直方向的热漂移，控制位置调节元件每移动一次，通过荧光收集元件读出所有NV色心的荧光计数之和；最后将控制位置调节元件移动至所有NV色心的荧光计数最大的位置，重复上述过程数次，直至NV色心的荧光计数满足第二预设条件，完成竖直方向的热漂移的校准。

需要说明的是，控制位置调节元件每移动一次就是以一个步长移动一次，一个步长的大小需要根据实际情况而定，例如沿竖直方向移动40个步长，一共移动了5um的距离，那么一个步长就为0.125微米。

还需要说明的是，在上述实施例中，所述第一预设条件和所述第二预设条件可以相同，也可以不同，如所述第一预设条件和所述第二预设条件均可以为NV色心的荧光计数恢复初始值或满足一定数值，例如，一定数值为大于或等于初始值的70％。本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述金刚石样品的长度大于或等于100微米量级，宽度大于或等于100微米量级。具体的，所述金刚石样品的长度大于或等于2毫米量级，宽度大于或等于2毫米量级但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述金刚石样品中所有的NV色心分布距离在所述金刚石样品表面20纳米范围内，以避免所述NV色心与待测分子之间的偶极-偶极相互作用较弱，从而使得单个待测分子对应的测量信号过小，造成获得测量信号需要大量的时间，甚至无法获得测量信号。需要说明的是，所述金刚石样品中大部分的NV色心基本处于同一个平行于金刚石表面的平面内，只有少数部分的金刚石样品不在该平面内。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述金刚石样品中多个NV色心中任意两个色心之间沿第一方向之间的距离小于10纳米，沿第二方向之间的距离大于系统的光学衍射极限，以使得所述激光产生元件发射的多点激发光激发所述金刚石样品中的多个NV色心时，每个激发光点只激发一个NV色心，降低相邻NV色心之间的相互干扰。其中，所述第一方向垂直于所述金刚石的表面，所述第二方向平行于所述金刚石表面。需要说明的是，所述光学衍射极限d的公式为：

λ为激发光波长，NA为物镜数值孔径。

可选的，金刚石样品中的单个NV色心的数量取值可以为从1个到所述测量装置所允许的最大值，其中，所述测量装置所允许的色心的数量的最大值由空间光调制器的分辨率决定，如，在本发明一个实施例中，所述空间光调制器最多能够实现1000个NV色心的同步激发，则所述金刚石样品中单个NV色心的数量允许的最大值为1000个，但本发明对此并不做限定，具体视空间光调制器的分辨率决定。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述感测探头元件可以包括表面平整的金刚石样品，也可以包括表面具有光波导结构的金刚石样品，以提高NV色心的荧光计数，放大测量信号，缩短测量时间，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。其中，所述光波导结构是在金刚石样品表面通过微纳加工获得的，具体的，所述光波导结构可以为金刚石纳米柱结构，本申请对此并不做限定，具体视情况而定。

可选的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，当金刚石样品的表面平整时，所述金刚石样品的单个NV色心经过激发光激发后被荧光探测器收集到荧光计数(即单个NV色心的荧光计数)大于10000个光子/秒，当金刚石样品的表面具有金刚石纳米柱时，所述金刚石样品的单个NV色心经过激发光激发后被荧光探测器收集到荧光计数(即单个NV色心的荧光计数)大于100000光子/秒。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，如图6所示，所述荧光收集元件包括：第二透镜系统311、成像系统312、多级滤光片313和荧光探测器314。

具体工作时，继续如图6所示，所述感测探头元件200产生的荧光信号射向所述激光产生元件中的物镜1175，经物镜1175收集后射向所述双色镜1174，经所述双色镜1174透射后，射向所述荧光收集元件的第二透镜系统311，所述第二透镜系统311用于阻挡NV色心初始化时产生的荧光信号，可选为包括第三透镜3111、光学斩波器3112和第四透镜3111，其中，所述第三透镜3111和所述第四透镜3113的焦距相等；所述成像系统312用于基于所述第二透镜系统311的出射光成像，可选为成像透镜；所述多级滤光313片用于滤掉所述第二透镜系统311的出射光中的532纳米的激发光和不在NV色心荧光波段的背景荧光信号，可选的，所述多级滤光片沿313荧光的光路的方向依次包括第一滤光片3131、第二滤光片3132和第三滤光片3133，其中，所述第一滤光片3131为800纳米短通滤波片、第二滤光片3132为635纳米长通滤波片，所述第三滤光片3133为532纳米绿光滤波片；所述荧光探测器314用于对所述多级滤光片313透射的荧光信号进行收集，可选的，所述荧光探测器314采用能够在空间上区分不同NV色心的荧光信号的荧光探测器314，其波段覆盖600纳米-800纳米，如电子耦合器件(即Charge Coupled Device，CCD)、雪崩击穿二极管阵列、互补金属氧化物半导体结构等，其中，电子耦合器件包括电子耦合相机。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述位置调节元件包括第一位置调节元件、第二位置调节元件和第三位置调节元件中的至少一个，其中，所述第一位置调节元件用于调节所述感测探头元件的在预设坐标系中的位置和角度中的至少一个，所述第二位置调节元件用于调节所述激光产生元件在预设坐标系中的位置和角度中的至少一个，所述第三位置调节元件用于调节所述荧光收集元件在预设坐标系中的位置和角度中的至少一个。

需要说明的是，在上述实施例中，所述第一位置调节元件、所述第二位置调节元件和所述第三位置调节元件的结构可以相同，也可以不同，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。下面以所述第一位置调节元件为例，对所述位置调节元件的结构进行描述。

还需要说明的是，由于激光产生元件不涉及角度的调节，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述位置调节元件包括第一位置调节元件、第二位置调节元件和第三位置调节元件时，可选的，所述第一位置调节元件和第三位置调节元件包括空间位置调节元件和角度调节元件，所述第二位置调节元件仅包括空间位置调节元件，不包括角度调节元件。

在本发明的一个实施例中，如图7所示，所述第一位置调节元件包括：角度调节元件和固定在所述角度调节元件上的空间位置调节元件412，所述角度调节元件包括角度调节旋钮413和用于固定所述角度调节旋钮413的旋转承重板411，所述空间位置调节元件412固定在所述旋转承重板411上，其中，所述空间位置调节元件412用于调节所述感测探头元件200在预设坐标系中沿X、Y、Z方向上的位置，所述角度调节旋钮413调节所述感测探头元件200在预设坐标系中的角度。可选的，所述空间位置调节元件412的调节精度为纳米量级。其中，X方向和Y方向平行于所述金刚石样品的表面，也即平行于所述旋转承重板的表面，Z方向垂直于所述金刚石的表面，也即垂直于所述旋转承重板的表面。

具体的，继续如图7所示，在本发明的一个实施例中，所述空间位置调节元件412为XYZ三轴空间位移台，所述角度调节元件能够沿X轴和Y轴旋转，可选为设置在所述XYZ三轴空间位移装置下方的共轴二维旋转台。具体的，在本发明的一个实施例中，所述角度调节旋钮413包括X轴角度调节旋钮4131和Y轴角度调节旋钮4132，其中，所述X轴角度调节旋钮4131用于使得所述金刚石样品沿X轴旋转，所述Y轴角度调节旋钮4132用于使得所述金刚石样品绕Y轴旋转，可选的，所述角度调节旋钮413通过调节所述旋转承重板411在预设坐标系中的角度，调节所述感测探头元件200在预设坐标系中的角度，如所述角度调节旋钮413带动所述旋转承重板411绕X轴和/或Y轴旋转，从而带动与所述旋转承重板411固定连接的空间位置调节元件412以及感测探头元件200进行相应的旋转。

可选的，所述空间位置调节元件包括微米位移台和纳米位移台，在本发明的其他实施例中，所述微米位移台用于调节感测探头元件沿X轴、Y轴和Z轴方向上的位置，所述纳米位移台用于调节感测探头元件沿X轴、Y轴和Z轴方向上的位置，但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

需要说明的是，由于所述测量装置在工作过程中，竖直方向发生的偏移较小，故在本发明的一个实施例中，通过调节纳米位移台，完成竖直方向的热漂移的校准，以提高校准精度。具体的，控制位置调节元件，进行感测探头元件竖直方向的移动，以校准垂直方向的热漂移，控制位置调节元件每移动一次，通过荧光收集元件读出所有NV色心的荧光计数之和；最后将控制位置调节元件移动至所有NV色心的荧光计数最大的位置，重复上述过程数次，直至NV色心的荧光计数满足第二预设条件，完成竖直方向的热漂移的校准包括：控制纳米位移台，进行感测探头元件Z方向的移动，以校准Z方向的热漂移，控制纳米位移台每移动一次，通过荧光收集元件读出所有NV色心的荧光计数之和；最后将控制纳米位移台移动至所有NV色心的荧光计数最大的位置，重复上述过程数次，直至NV色心的荧光计数满足第二预设条件，完成Z方向的热漂移的校准。

可选的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述感测探测元件固定在与所述空间位置调节元件相连的安装座上，且关于X轴和Y轴对称，以使得所述角度调节旋钮绕X轴和/或Y轴旋转所述金刚石样品，调节所述金刚石样品的角度时，所述金刚石样品中的色心不会偏离视野，从而便于调节金刚石样品角度的同时观察金刚石样品中的色心。

上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述预设磁场中均匀磁场的半径范围1毫米量级，强度最高可达1000高斯量级，均匀度可达95％以上；所述预设微波场中均匀微波场的半径范围100微米量级，均匀度可达80％以上，强度根据具体的测试需要而定。

具体的，在本发明的一个实施例中，如图8所示，所述微波磁场产生元件包括微波源511、微波分束器512、微波开关结构513、微波合路器514、微波放大器515、磁场产生元件516、以及阻抗匹配元件517。其中，所述微波开关结构513包括第一微波开关和第二微波开关。所述磁场产生元件516包括第一磁场产生元件5161和第二磁场产生元件5162。

可选的，在本发明的一个实施例中，所述第一磁场产生元件5161为线圈或磁铁等结构，以产生预设磁场；需要说明的是，在本发明实施例中，当所述第一磁场产生元件5161为线圈时，优选为对称的线圈，例如亥姆霍兹线圈，当所述第一磁场元件5161为磁铁时，优选为大体积的磁铁，以提供沿所述金刚石样品的NV色心轴的均匀外磁场；第二磁场产生元件5162为均匀辐射结构，以产生预设微波场。

具体工作时，所述均匀辐射结构固定在与空间位置调节元件相连的安装座上，所述感测探头元件固定在均匀辐射结构表面上；所述微波源用于产生操控NV色心量子态的脉冲信号；所述微波分束器用于将所述微波源输出的脉冲信号分为相位差为90°的第一脉冲信号和第二脉冲信号；所述第一脉冲信号经所述第一微波开关传输给所述微波合路器，所述第二脉冲信号经所述第二微波开关传输给所述微波合路器，其中，所述第一微波开关用于控制所述第一脉冲信号的长度，所述第二微波开关用于控制所述第二脉冲信号的长度；所述微波合路器将所述第一微波开关和所述第二微波开关输出的脉冲信号合为一路；所述微波放大器将所述微波合路器输出的脉冲信号放大后耦合进入所述均匀辐射结构，产生均匀的微波场，以同步操作多个NV色心的量子态，最后通过所述阻抗匹配元件，以防止微波放大器发生损坏。其中，所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号分别对应X方向的脉冲信号和Y方向的脉冲信号。

具体的，在本发明的一个实施例中，如图9所示，所述感测探头元件200通过粘合剂固定在均匀辐射结构5162表面。可选的，所述粘合剂为在635nm-800nm内无荧光的光学固化胶，但本发明对此并不做限定，在本发明其他实施例中，所述金刚石样品还可通过油吸附或机械固定等方式固定在均匀辐射结构表面上，具体视情况而定。

继续如图9所示，在本发明的一个实施例中，所述均匀辐射结构5162包括底板903以及位于底板上的接线结构901以及位于接线结构901之间的微波走线902，其中，感测探头元件200固定在底板903上，接线结构用于电连接其他器件和微波走线902，以形成微波场；其中，均匀辐射结构5162所产生的均匀微波场完全覆盖感测探头元件200上的待测区域。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述微波磁场产生元件还包括方波脉冲发生器，所述方波脉冲发生器用于控制所述第一微波开关和所述第二微波开关的工作状态，其中，所述第一微波开关和所述第二微波开关的工作状态包括导通和截止；但本发明对此并不做限定，在本发明的其他实施例中，所述第一微波开关和所述第二微波开关还可以通过外界方波脉冲发生器控制，具体视情况而定。

相应的，本发明实施例还提供了一种高通量单分子磁共振测量方法，应用于上述任一实施例所提供的高通量单分子磁共振测量装置，如图10所示，该测量方法包括：

将携带有待测分子的感测探头元件固定在位置调节元件上，所述感测探头元件包括具有多个NV色心的金刚石样品；

控制激光产生元件，产生多点激发光，所述多点激发光的相位不完全相同；

调节所述激光产生元件、所述感测探头元件和所述荧光收集元件中至少一个的位置，使得所述感测探头元件所包括的金刚石样品的色心平面与所述多点激发光平面重合以及所述金刚石样品的荧光信号的光路方向与所述荧光收集元件的感光平面垂直；

控制所述微波磁场产生元件产生预设磁场和预设微波场，使得所述预设磁场的磁场方向与所述金刚石样品的NV轴重合，并利用所述预设微波场操控所述金刚石样品中的NV色心的量子态；

至少执行一次采集测量数据步骤，所述采集测量数据步骤包括：利用所述激光产生元件形成多点激发光射向所述感测探头元件，所述金刚石样品中的多个NV色心在所述激发光的激发下产生荧光信号；利用所述荧光收集元件收集所述多个NV色心在所述激发光的激发下产生的荧光信号，并区分不同NV色心对应的荧光信号，获得实验数据。

需要说明的是，在实际测量过程中，所述高通量单分子磁共振测量装置不可避免的存在由于热漂移或空间光调制器的相位偏移等因素，使得NV色心与其对应的激发光光点偏离，使得NV色心的荧光计数下降，从而导致所述高通量单分子磁共振测量装置不满足实验要求。故在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述的测量方法还包括：

在第三预设条件下，判断所述荧光收集元件采集到的NV色心计数是否小于预设个数；

如果所述荧光收集元件采集到的NV色心的荧光计数小于预设计数，则调节所述激光产生元件、所述感测探头元件和所述荧光收集元件中至少一个的位置，直至所述荧光收集元件采集到的NV色心的荧光计数不小于预设计数；

如果所述荧光收集元件采集到的NV色心的荧光计数不小于预设计数，继续执行所述采集测量数据步骤。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述在第三预设条件下，判断所述荧光收集元件采集到的NV色心计数是否小于预设个数包括以下步骤中的至少一个：

基于所述高通量单分子磁共振测量装置的稳定性，在至少执行一次采集测量数据步骤过程中，每隔预设时间，判断所述荧光收集元件采集到的NV色心计数是否小于预设个数；

在至少执行一次采集测量数据步骤之前，判断所述荧光收集元件采集到的NV色心计数是否小于预设个数；

在至少执行一次采集测量数据步骤之后，判断所述荧光收集元件采集到的NV色心计数是否小于预设个数。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，所述第三预设条件还可以包括其它条件，从而在其他时间点或其它条件下，判断所述荧光收集元件采集到的NV色心计数是否小于预设个数，以使得所述高通量单分子磁共振测量装置满足实验要求，提高实验数据的准确度。

下面以在至少执行一次采集测量数据步骤过程中，每隔预设时间对所述荧光收集元件采集到的NV色心计数是否小于预设个数进行判断为例，对所述测量方法进行描述。具体的，如图11所示，所述测量方法包括：

至少执行一次采集测量数据步骤；

在至少执行一次采集测量数据步骤过程中，每隔预设时间判断所述荧光收集元件采集到的NV色心计数是否小于预设个数，直至完成所述金刚石样品的测量，可选的，所述预设时间为所述执行一次采集测量数据步骤所用的时间，即在每次执行完一次采集测量数据步骤之后，均判断所述荧光收集元件采集到的NV色心计数是否小于预设个数，但本发明对此并不做限定，在本发明的其他实施例中，所述预设时间也可以为所述执行两次或其他次数采集测量数据步骤所用的时间，具体视情况而定；

如果所述荧光收集元件采集到的NV色心的荧光计数小于预设计数，则调节所述激光产生元件、所述感测探头元件和所述荧光收集元件中至少一个的位置，直至所述荧光收集元件采集到的NV色心的荧光计数不小于预设计数；

如果所述荧光收集元件采集到的NV色心的荧光计数不小于预设计数，继续执行所述采集测量数据步骤。可选的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述预设计数为所述NV色心的荧光计数的初始值的70％，但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个具体实施例中，所述测量方法包括：

如果所述采集测量数据的执行次数达到预设次数，表明所述金刚石样品的测量完成，结束测量；

如果所述采集测量数据的执行次数未达到预设次数，且如果所述荧光收集元件采集到的NV色心的荧光计数小于预设计数，则调节所述激光产生元件、所述感测探头元件和所述荧光收集元件中至少一个的位置，直至所述荧光收集元件采集到的NV色心的荧光计数不小于预设计数，使得所述高通量单分子磁共振测量装置满足实验要求；

如果所述采集测量数据的执行次数未达到预设次数，且如果所述荧光收集元件采集到的NV色心的荧光计数不小于预设计数，表明所述高通量单分子磁共振测量装置满足实验要求，则继续执行所述采集测量数据步骤。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述执行采集测量数据步骤的次数大于1，以提高测量信号的信噪比，但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

具体的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，控制激光产生元件，产生多点激发光包括：

将当前视野范围划分为n个形状和大小相同的区域(如n个等大的正方形区域)，利用空间光调制器产生n个激光光点，每个区域内有且仅有一个激光光点，且各光点在各自区域内的相对位置相同；改变所述空间光调制器的相位，使得每个区域内的激光光点同时扫描各自的区域，扫描中扫描到NV色心则标记并输出，记录该NV色心的位置，以获得当前视野范围内各NV色心的位置；

将各NV色心的位置输入空间光调制器，编码空间光调制器的相位，以产生与各色NV色心相匹配的多点激发光。

在本发明的一个实施例中，各NV色心的位置输入空间光调制器，编码空间光调制器的相位，以产生与各色NV色心相匹配的多点激发光包括：

获得视野范围内的所有NV色心的位置后，将记录有所有NV色心位置的图输入到空间光调制器中，所述空间光调制器即可通过算法产生对应的相位灰度图，再经过傅里叶变化以后，就可以产生同时激发所有NV色心的多点激发光的点阵(即多点激发光)。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，调节所述NV色心平面和多点激发光平面重合的方法包括：

控制所述激光产生元件产生所述多点激发光后，调节金刚石样品和空间光调制器的角度，并同时观察NV色心的荧光计数，当NV色心的荧光计数达到最大时，所述NV色心平面和多点激发光平面重合。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，如图12所示，所述测量方法通过电脑控制方波序列发声器611作为时钟源，同时控制激光产生元件100中的声光调制器进行激光开关，荧光收集元件300中的荧光探测器进行荧光采集，以及微波磁场产生元件500中的微波开关结构输出微波脉冲信号操控NV色心的量子态，以使得三者按一定的时序结合，通过NV色心测量磁场信号612，可选的，激光产生元件100中的声光调制器，荧光收集元件300中的荧光探测器，以及微波磁场产生元件500中的微波开关结构三者的时序控制可以参考XY-8或CPMG等序列，实现磁场信号的测量，详细测量方法可见Science 347，1135(2015)，本发明对此不再详细赘述。

需要说明的是，上述调节所述激光产生元件、所述感测探头元件和所述荧光收集元件中至少一个的位置，直至所述荧光收集元件采集到的NV色心的荧光计数不小于预设计数，这一步骤是用来校准所述激光产生元件的相位漂移和所述测量装置的热漂移而导致的NV色心与其对应的激发光光点偏离现象的。

具体的，在本发明的一个实施例中，所述调节所述激光产生元件、所述感测探头元件和所述荧光收集元件中至少一个的位置，直至所述荧光收集元件采集到的NV色心的荧光计数不小于预设计数包括：

以通过NV色心扫描记录的NV色心的位置为中心，改变所述空间光调制器的附加相位，移动激发光点，依次扫描两个相互垂直方向，可选的，每个方向移动的总距离为1微米左右，单次移动的步长为10纳米量级，每次移动过后，记录荧光收集元件上得到的NV色心的荧光计数的总和；

扫描完成后，将空间光调制器的相位调节至NV色心的荧光计数总和最大对应的相位；

重复上述过程数次，直至NV色心的荧光计数满足第一预设条件，完成空间光调制器的相位漂移校准以及水平方向的热漂移的校准；

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述调节所述激光产生元件、所述感测探头元件和所述荧光收集元件中至少一个的位置，直至所述荧光收集元件采集到的NV色心的荧光计数不小于预设计数包括：

控制第一位置调节元件，进行感测探头元件竖直方向的移动，以校准垂直方向的热漂移，第一位置调节元件每移动一次，通过荧光收集元件读出所有NV色心的荧光计数之和；

将第一位置调节元件移动至所有NV色心的荧光计数最大的位置，重复上述过程数次，直至NV色心的荧光计数满足第二预设条件，完成竖直方向的热漂移的校准。

综上可知，本发明实施例所提供的测量装置和测量方法，可以同时收集视野内所有单NV色心的信号，解决了由于蛋白质分子保质期短，测试速率慢等因素导致的磁共振谱测试效率低的问题，同时也克服了空间分辨率低，无法测得单分子信号的缺点。

而且，在本发明实施例中，所述荧光探测器采用的是电子耦合器件，该器件具有低噪声和高灵敏度的优点，且NV色心对于磁的探测也很灵敏，从而使得本发明中的测量装置也具有低噪声和高灵敏度的优点。

另外，又由于所述金刚石样品中NV色心性质较为稳定，从而使得包括有NV色心的感测探头元件整体较为稳定，进而使得本发明中的测量装置也具有高稳定性的优点。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。