Naukowcy osiągnęli przełom w dziedzinie czujników nanodiamentowych o właściwościach spinowych na poziomie kwantowym, idealnych do bioobrazowania i bioczujników. Te zaawansowane czujniki dają nadzieję na rewolucyjne zastosowania w medycynie i technologiach energetycznych.
Wykrywanie kwantowe to rozwijająca się dziedzina, która wykorzystuje unikalne właściwości kwantowe cząstek — takie jak superpozycja, splątanie i stany spinowe — do wykrywania zmian w środowiskach fizycznych, chemicznych i biologicznych. Jednym z obiecujących narzędzi w tej dziedzinie są nanodiamenty (ND) z osadzonymi centrami wakancji azotu (NV). Te centra NV powstają, gdy węgiel atom w siatce diamentu jest zastępowany azotem w pobliżu wakatów. Po oświetleniu centra NV emitują fotony, które zachowują informację o stabilnym spinie i reagują na czynniki zewnętrzne, takie jak pola magnetyczne, pola elektryczne i temperatura.
Stosując technikę zwaną optycznie wykrywanym rezonansem magnetycznym (ODMR) naukowcy mogą mierzyć zmiany fluorescencji w centrach NV pod wpływem promieniowania mikrofalowego, ujawniając subtelne przesunięcia stanów spinowych. Biokompatybilne i konfigurowalne, ND z ośrodkami NV można zaprojektować tak, aby wchodziły w interakcję z określonymi cząsteczkami biologicznymi, co czyni je cennymi narzędziami do wykrywania w systemach biologicznych. Jednak w porównaniu do diamentów luzem, ND stosowane w bioobrazowaniu często mają niższą jakość wirowania, co ogranicza ich czułość i dokładność w wykrywaniu zmian.
Przełom w technologii czujników nanodiamentowych
W ramach niedawnego przełomu naukowcy z Uniwersytetu Okama w Japonii opracowali czujniki nanodiamentowe wystarczająco jasne do bioobrazowania, a ich właściwości spinowe są porównywalne z właściwościami diamentów masowych. Badanie opublikowane 16 grudnia 2024 r. w ACS Nanokierował profesor Masazumi Fujiwara z Uniwersytetu Okama, we współpracy z Sumitomo Electric Company oraz Narodowymi Instytutami Nauki i Technologii Kwantowej.
„To pierwsza demonstracja kwantowych nanocząstek ND o wyjątkowo wysokiej jakości spinach, co stanowi długo oczekiwany przełom w tej dziedzinie. Te nanocząsteczki posiadają właściwości, które są bardzo poszukiwane w bioczujnikach kwantowych i innych zaawansowanych zastosowaniach”, mówi prof. Fujiwara.
Wyzwania i innowacje w rozwoju ND
Obecne czujniki ND do bioobrazowania napotykają dwa główne ograniczenia: wysokie stężenia zanieczyszczeń spinowych, które zakłócają stany spinowe NV, oraz szum spinowy powierzchniowy, który szybciej destabilizuje stany spinowe. Aby pokonać te wyzwania, naukowcy skupili się na produkcji wysokiej jakości diamentów z bardzo małą ilością zanieczyszczeń.
Wyhodowali diamenty monokryształowe wzbogacone w 99,99% 12atomy węgla C, a następnie wprowadzono kontrolowaną ilość azotu (30–60 części na milion), aby utworzyć centrum NV z około 1 częścią na milion. Diamenty zostały rozdrobnione na ND i zawieszone w wodzie.
Zwiększona wydajność w zastosowaniach biologicznych
Powstałe ND miały średni rozmiar 277 nanometrów i zawierały 0,6–1,3 części na milion ujemnie naładowanych centrów NV. Wykazywały silną fluorescencję, osiągając a foton częstotliwość zliczania 1500 kHz, dzięki czemu nadają się do zastosowań w bioobrazowaniu.
Te ND wykazały również ulepszone właściwości spinowe w porównaniu z dostępnymi na rynku większymi ND. Wymagały 10–20 razy mniejszej mocy mikrofal, aby osiągnąć 3% kontrast ODMR, miały zmniejszone rozszczepianie pików i wykazały znacznie dłuższe czasy relaksacji spinu (T1 = 0,68 ms, T2 = 3,2 µs), które były od 6 do 11 razy dłuższe niż w przypadku ND typu Ib.
Ulepszenia te wskazują, że nanocząsteczki posiadają stabilne stany kwantowe, które można dokładnie wykryć i zmierzyć przy niskim promieniowaniu mikrofalowym, minimalizując ryzyko toksyczności indukowanej mikrofalami w komórkach.
Zastosowania w opiece zdrowotnej i technologii
Aby ocenić ich potencjał w zakresie wykrywania biologicznego, badacze wprowadzili ND do komórek HeLa i zmierzyli właściwości spinowe za pomocą eksperymentów ODMR. ND były wystarczająco jasne, aby zapewnić dobrą widoczność i generowały wąskie, niezawodne widma pomimo pewnego wpływu ruchu Browna (losowy ruch ND w komórkach).
Co więcej, ND były w stanie wykryć niewielkie zmiany temperatury. W temperaturach około 300 K i 308 K ND wykazywały wyraźne częstotliwości oscylacji, wykazując czułość temperaturową 0,28 K/√ Hz, lepszą niż gołe ND typu Ib.
Dzięki tym zaawansowanym możliwościom wykrywania czujnik ma potencjał do różnorodnych zastosowań, od biologicznego wykrywania komórek w celu wczesnego wykrywania chorób po monitorowanie stanu baterii oraz poprawę zarządzania temperaturą i wydajności energooszczędnych urządzeń elektronicznych.
„Postępy te mogą potencjalnie przekształcić opiekę zdrowotną, technologię i zarządzanie środowiskiem, poprawiając jakość życia i zapewniając zrównoważone rozwiązania dla przyszłych wyzwań” – mówi prof. Fujiwara.
Odniesienie: „Jasne fluorescencyjne nanodiamenty kwantowe” autorstwa Keisuke Oshimi, Hitoshi Ishiwata, Hiromu Nakashima, Sara Mandić, Hina Kobayashi, Minori Teramoto, Hirokazu Tsuji, Yoshiki Nishibayashi, Yutaka Shikano, Toshu An i Masazumi Fujiwara, 16 grudnia 2024 r., ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.4c03424
