Hoogwaardige nanodiamanten bieden nieuw potentieel voor bio-imaging en kwantumdetectie

Kwantumdetectie is een zich snel ontwikkelend vakgebied dat gebruik maakt van de kwantumtoestanden van deeltjes, zoals superpositie, verstrengeling en spintoestanden, om veranderingen in fysische, chemische of biologische systemen te detecteren. Een veelbelovend type kwantumnanosensor zijn nanodiamanten (ND’s) uitgerust met stikstofvacancy (NV) centra. Deze centra worden gecreëerd door een koolstofatoom te vervangen door stikstof nabij een roostervacature in een diamantstructuur.

Wanneer ze worden opgewonden door licht, zenden de NV-centra fotonen uit die stabiele spin-informatie behouden en gevoelig zijn voor externe invloeden zoals magnetische velden, elektrische velden en temperatuur. Veranderingen in deze spintoestanden kunnen worden gedetecteerd met behulp van optisch gedetecteerde magnetische resonantie (ODMR), die fluorescentieveranderingen onder microgolfstraling meet.

Bij een recente doorbraak hebben wetenschappers van de Okayama Universiteit in Japan nanodiamantsensoren ontwikkeld die helder genoeg zijn voor bio-imaging, met spin-eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van bulkdiamanten. De studie, gepubliceerd in ACS Nanoop 16 december 2024, werd geleid door onderzoeksprofessor Masazumi Fujiwara van de Okayama Universiteit, in samenwerking met Sumitomo Electric Company en de National Institutes for Quantum Science and Technology.

“Dit is de eerste demonstratie van ND’s van kwantumkwaliteit met spins van uitzonderlijk hoge kwaliteit, een langverwachte doorbraak in het veld. Deze ND’s bezitten eigenschappen die zeer gewild zijn voor kwantumbiosensoren en andere geavanceerde toepassingen”, zegt prof. Fujiwara .

De huidige ND-sensoren voor bio-imaging hebben te maken met twee belangrijke beperkingen: hoge concentraties spin-onzuiverheden, die NV-spintoestanden verstoren, en oppervlakte-spinruis, die de spintoestanden sneller destabiliseert. Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, concentreerden de onderzoekers zich op het produceren van hoogwaardige diamanten met zeer weinig onzuiverheden.

Ze kweekten monokristallijne diamanten verrijkt met 99,99% ¹²C-koolstofatomen en introduceerde vervolgens een gecontroleerde hoeveelheid stikstof (30-60 delen per miljoen) om een ​​NV-centrum te creëren met ongeveer 1 deel per miljoen. De diamanten werden tot ND’s vermalen en in water gesuspendeerd.

De resulterende ND’s hadden een gemiddelde grootte van 277 nanometer en bevatten 0,6-1,3 delen per miljoen negatief geladen NV-centra. Ze vertoonden een sterke fluorescentie en bereikten een fotonentelling van 1500 kHz, waardoor ze geschikt waren voor bioimaging-toepassingen.

Deze ND’s vertoonden ook verbeterde spin-eigenschappen vergeleken met commercieel verkrijgbare grotere ND’s. Ze hadden 10-20 keer minder microgolfvermogen nodig om een ​​ODMR-contrast van 3% te bereiken, hadden een verminderde pieksplitsing en vertoonden aanzienlijk langere spin-relaxatietijden (T₁ = 0,68 ms, T₂ = 3,2 µs), die 6 tot 11 keer langer waren dan die van type Ib ND’s.

Deze verbeteringen geven aan dat de ND’s stabiele kwantumtoestanden bezitten, die nauwkeurig kunnen worden gedetecteerd en gemeten met lage microgolfstraling, waardoor het risico op door microgolven geïnduceerde toxiciteit in cellen wordt geminimaliseerd.

Om hun potentieel voor biologische detectie te evalueren, introduceerden de onderzoekers ND’s in HeLa-cellen en maten ze de spin-eigenschappen met behulp van ODMR-experimenten. De ND’s waren helder genoeg voor duidelijk zicht en produceerden smalle, betrouwbare spectra ondanks enige impact van de Brownse beweging (willekeurige ND-beweging binnen cellen).

Bovendien waren de ND’s in staat kleine temperatuurveranderingen te detecteren. Bij temperaturen rond 300 K en 308 K vertoonden de ND’s verschillende oscillatiefrequenties, wat een temperatuurgevoeligheid aantoont van 0,28 K/√Hz, superieur aan kale type-Ib ND’s.

Met deze geavanceerde detectiemogelijkheden heeft de sensor potentieel voor diverse toepassingen, van biologische detectie van cellen voor vroege ziektedetectie tot het monitoren van de batterijstatus en het verbeteren van het thermisch beheer en de prestaties voor energiezuinige elektronische apparaten.

“Deze ontwikkelingen hebben het potentieel om de gezondheidszorg, de technologie en het milieubeheer te transformeren, de kwaliteit van leven te verbeteren en duurzame oplossingen te bieden voor toekomstige uitdagingen”, zegt prof. Fujiwara.