近日，日本冈山大学的研究人员新开发的纳米金刚石在生物成像应用中展现出强荧光效果和高质量的自旋特性。研究人员开发了具有氮空位（NV）中心的纳米金刚石传感器，为量子传感和生物成像提供了卓越的亮度和自旋特性。这些纳米金刚石的性能超越了现有商业产品，运行所需的能量减少了20倍，保持量子态的时间延长了11倍。对磁场和温度的灵敏度增强，可实现精确的探测应用，包括疾病检测、电池分析和电子产品的热管理，这标志着纳米技术驱动的量子传感在生物和工业创新方面取得了重大进展。
量子传感是一个快速发展的领域，它利用粒子的量子态（如叠加、纠缠和自旋态）来检测物理、化学或生物系统的微小变化。一种很有前途的量子纳米传感器是配备氮空位（NV）中心的纳米金刚石（NDs）。这些中心是通过在金刚石结构中用氮替代碳原子靠近晶格空位来创建的。当被光激发时，氮空位（NV）中心会发射出保持稳定自旋信息的光子，并且对磁场、电场和温度等外部影响敏感。这些自旋态的变化可以通过光学探测磁共振（ODMR）来检测，ODMR可以测量微波辐射下的荧光变化。具有NV中心的NDs具有生物相容性，并且可以设计成与特定的生物分子相互作用，使其成为生物传感的宝贵工具。然而，用于生物成像的NDs通常比大块金刚石具有更低的自旋质量，导致测量的灵敏度和准确性降低。
日本冈山大学的研究人员在近期的研究中取得了突破性进展，开发出亮度足以用于生物成像的纳米金刚石传感器，其自旋特性可与大块金刚石相媲美。该研究由冈山大学的研究教授Fujiwara领导，与住友电气公司和美国国立量子科学技术研究所合作完成。
“这是具有极高质量自旋的量子级NDs的首次演示，标志着该研究领域期待已久的突破性进展。这些NDs具有量子生物传感和在其他高级应用中备受追捧的特性，“Fujiwara教授说。
目前用于生物成像的纳米金刚石传感器（NDs）面临两个亟待解决的问题：首先，高浓度的自旋杂质会扰乱氮空位（NV）的自旋态；其次，是表面的自旋噪声，会对自旋态的稳定性造成更加严重的影响。为了克服这些挑战，研究人员专注于生产杂质极少的高质量金刚石。他们培育出富含99.99%的12C碳原子的单晶金刚石，然后引入一定量的氮（30-60ppm）以创建约1ppm的NV中心。最后将金刚石粉碎成纳米金刚石并悬浮在水中。
新培育出的纳米金刚石平均尺寸为277纳米，并含有0.6-1.3ppm的负电荷NV中心。它们呈现出强烈的荧光效果，光子计数率高达1500kHz，这使其非常适用于生物成像应用。与目前市场上的大型纳米金刚石相比，这些新培育出的ND呈现出更强的自旋特性。它们仅需要减少了10-20倍的微波功率即可获得3%的ODMR对比度，并减少了峰分裂，表现出明显更长的自旋弛豫时间（T1 = 0.68 ms，T2 = 3.2 μs），比Ib型ND长6到11倍。这些改进表明ND具有稳定的量子态，可以用低微波辐射准确的检测和测量，从而最大限度地降低微波诱导细胞毒性的风险。
为了评估它们在生物传感方面的潜力，研究人员将ND引入HeLa细胞，并使用ODMR实验测量了其自旋特性。实验中的ND足够亮，可以被清晰地观测，并且尽管受到布朗运动（细胞内纳米金刚石的随机运动）的一些影响，仍然产生了狭窄、可靠的光谱。此外，ND 能够检测到微小的温度变化。在大约300K到308K的温度下，ND表现出不同的振荡频率，呈现出0.28K/√Hz的温度敏感性，明显优于裸露的Ib型ND。
凭借这些先进的传感能力，该传感器在各个领域都具有多种应用潜力，从用于早期疾病检测的细胞生物传感到监测电池健康，以及提高能源效率电子设备的热管理和性能。“这些进步有可能改变医疗保健、技术和环境管理，提高生活质量，并为未来的挑战提供可持续的解决方案，”Fujiwara教授说。
该项目的研究成果已于2024年12月16日发表在《ACS Nano》期刊中。（DOI: 10.1021/acsnano.4c03424）
