Kvantno sensing je polje koje se brzo razvija i koristi kvantna stanja čestica, kao što su superpozicija, zapetljanost i spinska stanja, za otkrivanje promena u fizičkim, hemijskim ili biološkim sistemima. Obećavajući tip kvantnog nanosenzora su nanodijamanti (ND) opremljeni centrima za prazninu azota (NV). Ovi centri se stvaraju zamenom atoma ugljenika azotom u blizini slobodnih mesta u dijamantskoj strukturi.
Kada su pobuđeni svetlošću, NV centri emituju fotone koji održavaju stabilne informacije o spinu i osetljivi su na spoljašnje uticaje kao što su magnetna polja, električna polja i temperatura. Promene u ovim spin stanjima mogu se detektovati pomoću optički detektovane magnetne rezonance (ODMR), koja meri promene fluorescencije pod mikrotalasnim zračenjem.
U nedavnom otkriću, naučnici sa Univerziteta Okaiama u Japanu razvili su nanodijamantske senzore koji su dovoljno svetli za bioimadžing, sa osobinama spina uporedivim sa onima u velikim dijamantima. Studiju, objavljenu u ACS Nano, 16. decembra 2024, vodio je istraživač Masazumi Fujivara sa Univerziteta Okaiama, u saradnji sa Sumitomo Electric Compani i Nacionalnim institutima za kvantnu nauku i tehnologiju.
„Ovo je prva demonstracija ND-a kvantnog nivoa sa izuzetno kvalitetnim spinovima, dugo očekivani prodor u ovoj oblasti. Ovi ND-ovi poseduju svojstva koja su veoma tražena za kvantno biosenzivanje i druge napredne primene“, kaže prof. Fudživara .
Trenutni ND senzori za bioimadžing suočavaju se sa dva glavna ograničenja: visokom koncentracijom spinskih nečistoća, koje remete NV spinska stanja, i površinskom spinskom bukom, koja brže destabilizuje spinska stanja. Da bi prevazišli ove izazove, istraživači su se fokusirali na proizvodnju visokokvalitetnih dijamanata sa vrlo malo nečistoća.
Uzgajali su monokristalne dijamante obogaćene sa 99,99% 12 C atoma ugljenika, a zatim uveli kontrolisanu količinu azota (30-60 delova na milion) da bi stvorili NV centar sa oko 1 delom na milion. Dijamanti su smrvljeni u ND i suspendovani u vodi.
Dobijeni ND imali su srednju veličinu od 277 nanometara i sadržali 0,6–1,3 delova na milion negativno naelektrisanih NV centara. Pokazali su snažnu fluorescenciju, postižući brzinu brojanja fotona od 1500 kHz, što ih čini pogodnim za aplikacije bioimadžinga.
Ovi ND su takođe pokazali poboljšana svojstva okretanja u poređenju sa komercijalno dostupnim većim ND. Bilo im je potrebno 10-20 puta manje mikrotalasne snage da bi se postigao 3% ODMR kontrast, imali su smanjeno cepljenje vrhova i pokazali su značajno duže vreme relaksacije spina (T1 = 0,68 ms, T2 = 3,2 µs), koje je bilo 6 do 11 puta duže nego kod ND tipa Ib.
Ova poboljšanja ukazuju da ND poseduju stabilna kvantna stanja, koja se mogu precizno detektovati i meriti niskim mikrotalasnim zračenjem, minimizirajući rizik od mikrotalasne indukovane toksičnosti u ćelijama.
Da bi procenili njihov potencijal za biološki sensing, istraživači su uveli ND u HeLa ćelije i izmerili svojstva spina koristeći ODMR eksperimente. ND su bili dovoljno svetli za jasnu vidljivost i proizveli su uske, pouzdane spektre uprkos izvesnom uticaju Braunovskog kretanja (nasumično kretanje ND unutar ćelija).
Štaviše, ND su bili sposobni da detektuju male promene temperature. Na temperaturama oko 300 K i 308 K, ND-ovi su pokazali različite frekvencije oscilovanja, pokazujući temperaturnu osetljivost od 0,28 K/√Hz, superiornu u odnosu na gole ND-ove tipa Ib.
Sa ovim naprednim mogućnostima sensinga, senzor ima potencijal za različite primene, od biološkog sensinga ćelija za rano otkrivanje bolesti do praćenja zdravlja baterije i poboljšanja upravljanja toplotom i performansi za energetski efikasne elektronske uređaje.
„Ova dostignuća imaju potencijal da transformišu zdravstvenu zaštitu, tehnologiju i upravljanje životnom sredinom, poboljšavajući kvalitet života i obezbeđujući održiva rešenja za buduće izazove“, kaže prof. Fudživara.
