近日，美国加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员将量子传感和液滴微流体相结合，开发了一种高灵敏度的化学检测系统，该系统可以应用到从生物工程到环境监测的多种场景。
这项研究介绍了一个平台，该平台使用由纳米金刚石制成的量子传感器以极高的精度检测化学物质。这些含有氮空位（NV）中心的纳米金刚石被封装在微观液滴中，使研究人员能够克服传统化学传感中的关键挑战。这种新颖的方法减少了噪声，实现了长时间的稳定性，并且仅需要极少的样品量。
研究人员在研究中指出：“这项工作取得了重要进展，包括便携式化学测试设备、无需放大的化学分析方法，以及用于探测微环境中反应的化学成像工具。
据该团队称，该系统的主要创新在于它仅需要使用极少量的分析物或测试材料即可进行高精度的化学检测。这项技术未来可能用于开发便携式化学传感器、改进细胞分析工具，并在诊断、生物反应器和环境感测在内的多个领域实现无需放大的化学测试。
该平台还有望用于实时细胞内监测、单细胞分析和化学成像。通过利用量子传感器的高精确性和液滴微流体的多功能性，这项研究为在受限环境中探测化学物质开辟了新的可能性。
例如，研究人员提出，将这项技术与流式细胞术（一种在流体中分析细胞的技术）相结合，可能会彻底改变单细胞代谢组学。通过检测单个细胞内的活性氧种类（ROS），该系统可能以前所未有的细节监测细胞代谢。
量子传感依赖于钻石中的氮空位（NV）中心。这些中心是缺陷，其中两个碳原子被一个氮原子和一个空位所取代。NV中心有特别的用处，因为它们的自旋态（与其磁特性有关）对环境变化高度敏感。这种灵敏度是通过测量NV中心在暴露于微波和激光时发出的光的变化来体现的。
据研究人员称，到目前为止，使用NV中心进行化学传感主要依赖于单晶金刚石，这种金刚石价格昂贵，需要精确对齐，并且与目标分子表面的相互作用有限。相比之下，在这项研究中，该团队采用了纳米金刚石——几纳米大小的微小金刚石颗粒——可以与液体环境中的化学物质产生明显的反应。纳米金刚石因其具有生物惰性，故不会与活体组织或生物发生化学相互作用。它们还具有成本效益，并且可以针对特定应用进行定制。
为了提高性能，研究人员使用了液滴微流体技术，该技术采用一种方法，可以在比人类头发宽度还小的通道中操纵微小的液滴。这些液滴会充当微观反应室，将纳米金刚石和分析物限制在受控条件下。通过控制液滴流经检测系统，研究人员在数千个液滴上实现了稳定、抗噪声的测量。
该系统使用装载纳米金刚石的皮升（picoliter）大小的液滴——约为标准水滴大小的十亿分之一。这些液滴流经微流体装置，在那里它们被绿色激光照射，并受到微波场的影响。
纳米金刚石中的NV中心会发出红色荧光，这种荧光会随着顺磁性离子等化学物质的存在而发生变化。这种光信号可以通过一种称为光学检测磁共振（ODMR）的技术进行检测和分析。
液滴的均匀移动可以消除由于纳米金刚石尺寸、方向差异或其他不一致因素而引起的波动，从而提高了测量精度。研究人员还采用了一种双重调制技术——使用微波和液滴流——将量子信号与背景噪声隔离开来，进一步提高了灵敏度。
该团队写道，在他们的实验中，该团队展示了该系统检测钆离子的能力，钆离子是一种顺磁性分析物，检测限低至100纳摩尔，这一水平以前在如此小的样品量中很难达到。他们还测量了常见活性物质，如TEMPOL（一种常见的ROS化学探针），并达到了低于2微摩尔的检测极限。
科学家们写道，他们的创新为便携式、精确且低成本的下一代化学传感设备铺平了道路。该技术潜在的应用包括：
将这一平台与流式细胞术等现有技术的集成可以显著扩展其使用方式。研究人员设想了一种“量子增强”版本的流式细胞术，它可以将细胞分析与精确的化学传感相结合。
该平台的当前功能仅限于检测特定分析物，如钆和TEMPOL。未来的研究需要探索更广泛的化学检测范围，并验证该系统在实际应用中的有效性。
研究人员还致力于开发追踪液滴中纳米金刚石的方法，该方法让实时化学成像成为可能。他们还建议提高流体通量 — 这样可以每小时分析数百万个液滴 — 并将该系统集成到紧凑的便携式设备中以供现场使用。
另一个潜在的用途是将纳米金刚石集成到块体磁力计或加速度计等高级应用中。研究人员强调，该平台在持续数小时测量中的稳定性使其成为此类高精度任务的理想选择。
该研究展示了量子技术如何与现有工具相结合以提供实用的解决方案。通过解决传统化学传感的局限性，这种方法为高精度、经济高效且可扩展的检测系统奠定了基础。
该研究由加州大学伯克利分校的Ashok Ajoy和劳伦斯伯克利国家实验室领导，Adrisha Sarkar、Zachary R. Jones、Madhur Parashar、Emanuel Druga、Amala Akkiraju、Sophie Conti、Pranav Krishnamoorthi、Srisai Nachuri、Parker Aman 和 Mohammad Hashemi 等人都参与了研究，他们都隶属于加州大学伯克利分校。Zachary Jones 和 Deepti Tanjore 还与劳伦斯伯克利国家实验室的先进生物燃料和生物制品工艺开发部门有联系。Adamas Nanotechnologies Inc. 的 Nicholas Nunn、Marco D. Torelli 和 Olga A. Shenderova 提供了资源和支持。来自劳伦斯伯克利国家实验室的 Benjamin Gilbert 和 Kevin R. Wilson 也为这项研究做出了贡献。
请阅读《Science Advances》上发表的研究论文（DOI：10.1126/sciadv.adp4033），以便更深入、更全面地从专业技术性的视角了解这项创新性的工作。
