Nanodiamonds in waterdruppeltjes stimuleren kwantumdetectie precisie

Combineer een groene laser van de tuin-variëteit, magnetrons met ongeveer de energie van uw wifi en wat diamantstof in druppels water, en wat krijg je? Een nauwkeurig hulpmiddel voor chemisch detectie.

Voor het eerst hebben onderzoekers nanodiamonds gecombineerd in microdropetten van vloeistof voor kwantumdetectie. De nieuwe techniek is nauwkeurig, snel, gevoelig en vereist dat slechts kleine hoeveelheden van het materiaal worden bestudeerd – help bij het bestuderen van sporenchemicaliën of individuele cellen. De resultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift De wetenschap vordert in december.

“We wisten niet eens zeker of onze techniek zou werken, maar het bleek verrassend eenvoudig en effectief te zijn”, zegt Ashok Ajoy, een faculteitswetenschapper in de divisie Chemical Sciences bij het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en assistent -professor bij UC Berkeley die het project leidde. “Er zijn brede toepassingen waarbij deze sensoren in interessante omgevingen kunnen worden ingezet en u kunnen helpen iets te vinden dat meestal moeilijk te detecteren is.”

Kwantumdetectie maakt gebruik van unieke eigenschappen die op de kleinste schalen ontstaan. In hun nieuwe methode maken onderzoekers een reeks microdropetten die miljoenen keren kleiner zijn dan een regendruppel. Deze zijn gevuld met een speciaal soort diamant waar sommige van de koolstofatomen worden verwijderd en stikstofatomen worden toegevoegd.

Deze “stikstofvacatures” fungeren als kwantumsensoren en geven de nanodiamanten een speciale eigenschap: terwijl de druppels langs een laser stromen en worden geraakt door magnetrons, geven de nanodiamanten licht af. De hoeveelheid licht in de aanwezigheid van een magnetronveld is gerelateerd aan de materialen rond de nanodiamond, waardoor de onderzoekers kunnen bepalen of een chemicalie van belang in de buurt is.

De combinatie van stromende druppeltjes en zorgvuldig gemoduleerde magnetrons kunnen onderzoekers ongewenste achtergrondgeluid negeren en draagt ​​bij aan hun precisie. Als het gaat om het detecteren van sporenhoeveelheden enigszins magnetische (of “paramagnetische”) chemicaliën in kleine monstervolumes, is de nieuwe stromende nanodiamond -benadering al beter dan vooraanstaande technieken.

(Als je denkt dat de wetenschap geen kosten heeft bespaard, vrees niet – onderzoekers kunnen honderdduizenden druppeltjes analyseren voor ongeveer 63 cent diamantstof, waardoor het zowel een relatief goedkope als een effectieve optie is.)

Kleine sensoren, grote toepassingen

Met verdere ontwikkeling zijn er veel potentiële manieren om de nanodiamanten in druppels te gebruiken.

In de nieuwe studie toonde een team van onderzoekers onder leiding van UC Berkeley en Berkeley Lab afgestudeerd student Adrisha Sarkar en Berkeley Lab Postdoc Zack Jones met succes aan dat ze sporenhoeveelheden van twee paramagnetische soorten konden oppakken: gadolinium -ionen en tempol, een stabiele radicale molecule die gevoelig is voor zuurstof.

Verschillende andere soorten paramagnetische ionen zijn interessant, maar moeilijk te bestuderen met behulp van traditionele technieken. Dat is het geval voor reactieve zuurstofspecies (ROS), kortstondige moleculen zuurstof die zijn gekoppeld aan celmetabolisme, veroudering en stress. De nieuwe techniek zou een betere manier kunnen zijn om reactieve zuurstof in afzonderlijke cellen te detecteren, waardoor experts een manier hebben om de gezondheid van de cellen te volgen, met implicaties voor het bestuderen van ziekten zoals kanker. Het team bereidt zich al voor op een dergelijke studie.

Ze kijken ook naar hoe ze extra componenten kunnen bevestigen die helpen bij de identificatie (zoals antilichamen) aan de nanodiamonds, waardoor de tool voor biologisch onderzoek wordt uitgebreid. Men kan zich voorstellen dat u de techniek gebruikt om betere diagnostische tests te bouwen om virussen te identificeren wanneer alleen sporen van het virus aanwezig zijn.

Of, omdat de methode relatief low-tech is, voorziet Ajoy een draagbaar systeem dat kan worden gebruikt om de lucht of water te controleren op schadelijke sporenverontreinigingen en chemicaliën, in het veld of in industriële omgevingen. Omdat de Nanodiamond-microdropetten goedkoop en overvloedig zijn, kan de techniek worden opgeschaald om honderden verschillende monsters te meten met grote gevoeligheid en adres complexe, real-world problemen.

De nieuwe aanpak kan ook nuttig zijn voor het creëren van zelfrijdende bioreactoren van de toekomst. Bioreactoren creëren gecontroleerde omgevingen voor het kweken van micro -organismen die medicijnen, biobrandstoffen of voedselingrediënten kunnen maken. Omdat elke druppel nanodiamanten kan werken als een microscopische “beker” en een enkele cel kan vasthouden, kunnen onderzoekers mogelijk de techniek gebruiken om bioreactoren af ​​te stemmen.

“Je kunt je voorstellen om bioreactoren op te zetten in sobere omgevingen over de hele wereld of in de ruimte, om dingen zoals voedsel te maken die je niet dagelijks kon leveren,” zei Deepti Tanjore, directeur van de Advanced BioFuels en Bioproducts Process Development Unit bij Berkeley Lab. “Het hebben van precieze kwantumsensoren die je vertellen hoe de micro-organisme-cultuur zich gedraagt, is een belangrijke stap in de richting van die droom. Om een ​​zelfregulerende bioreactor op te bouwen, hebben we die realtime intracellulaire gegevens nodig.”

Het werk bracht experts in chemie, microfluïdica, biosciences en aardwetenschappen samen.