高品质纳米金刚石提供了新的生物成像和量子传感潜力

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、化学或生物系统的变化。一种有前景的量子纳米传感器是配备氮空位（NV）中心的纳米金刚石（ND）。这些中心是通过在金刚石结构中的晶格空位附近用氮取代碳原子而产生的

当被光激发时，NV中心会发射光子，这些光子保持稳定的自旋信息，并对磁场、电场和温度等外部影响敏感。这些自旋态的变化可以使用光学检测磁共振（ODMR）来检测，ODMR测量微波辐射下的荧光变化

在最近的一项突破中，日本冈山大学的科学家开发了足够明亮的纳米金刚石传感器，用于生物成像，其自旋特性与块状钻石相当。该研究于2024年12月16日发表在ACS Nano上，由冈山大学的研究教授藤原正之领导，与住友电气公司和美国国立量子科学技术研究院合作

Fujiwara教授说：“这是首次展示具有超高质量自旋的量子级NDs，这是该领域期待已久的突破。这些NDs具有量子生物传感和其他先进应用中备受追捧的特性。”

目前用于生物成像的ND传感器面临两个主要限制：高浓度的自旋杂质会破坏NV自旋态，以及表面自旋噪声会更快地破坏自旋态的稳定性。为了克服这些挑战，研究人员专注于生产杂质很少的高质量钻石

他们种植了富含99.99%12C碳原子的单晶钻石，然后引入了受控量的氮（百万分之30-60），以创建一个约百万分之一的NV中心。钻石被压碎成ND并悬浮在水中

由此产生的NDs的平均尺寸为277纳米，含有百万分之0.6-1.3的带负电荷的NV中心。它们显示出强烈的荧光，实现了1500 kHz的光子计数率，使其适用于生物成像应用

与市售的较大NDs相比，这些NDs还显示出增强的自旋性能。它们需要10-20倍的微波功率才能实现3%的ODMR对比度，峰值分裂减少，自旋弛豫时间显著延长（T1=0.68ms，T2=3.2µs），是Ib型ND的6到11倍

这些改进表明，NDs具有稳定的量子态，可以在低微波辐射下准确检测和测量，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实验测量了自旋特性。NDs足够明亮，可以清晰地看到，并且产生了狭窄、可靠的光谱，尽管受到布朗运动（细胞内随机的ND运动）的影响

此外，NDs能够检测到微小的温度变化。在300 K和308 K左右的温度下，ND表现出不同的振荡频率，温度灵敏度为0.28 K/√Hz，优于裸Ib型ND

凭借这些先进的传感功能，该传感器具有广泛的应用潜力，从用于早期疾病检测的细胞生物传感到监测电池健康状况，以及增强节能电子设备的热管理和性能

藤原教授说：“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，为未来的挑战提供可持续的解决方案。” More information: Keisuke Oshimi et al, Bright Quantum-Grade Fluorescent Nanodiamonds, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c03424

Journal information: ACS Nano