23 دسامبر 2024 -توسط دانشگاه اوکایاما-محققان نانوالماس (NDs) با مراکز خالی نیتروژن (NV) ساخته اند که خواص اسپین و فلورسانس برتر را در مقایسه با ND های تجاری از خود نشان می دهند. این ND ها زمان آرامش چرخش طولانی تری را نشان می دهند و به توان مایکروویو کمتری برای تشخیص اسپین نیاز دارند، که آنها را برای سنجش کوانتومی در نمونه های بیولوژیکی ایده آل می کند. اعتبار: Masazumi Fujiwara از دانشگاه اوکایاما
یک میدان به سرعت در حال توسعه است که از حالتهای کوانتومی ذرات، مانند حالتهای برهم نهی، درهم تنیدگی و اسپین برای تشخیص تغییرات در سیستمهای فیزیکی، شیمیایی یا بیولوژیکی استفاده میکند. یک نوع امیدوارکننده از نانوحسگرهای کوانتومی، نانوالماسها (NDs) مجهز به مراکز خالی نیتروژن (NV) هستند. این مراکز با جایگزینی اتم کربن با نیتروژن در نزدیکی یک جای خالی شبکه در ساختار الماس ایجاد می شوند.
هنگام تحریک نور، مراکز NV فوتونهایی ساطع میکنند که اطلاعات چرخشی پایدار را حفظ میکنند و به تأثیرات خارجی مانند میدانهای مغناطیسی، میدانهای الکتریکی و دما حساس هستند. تغییرات در این حالتهای اسپین را میتوان با استفاده از تشدید مغناطیسی شناسایی شده نوری (ODMR)، که تغییرات فلورسانس را تحت تابش مایکروویو اندازهگیری میکند، شناسایی کرد.
در یک پیشرفت اخیر، دانشمندان دانشگاه اوکایاما در ژاپن، حسگرهای نانوالماسی را برای تصویربرداری زیستی به اندازه کافی روشن ساختند، با خواص چرخشی مشابه با الماس های حجیم. این مطالعه که در 16 دسامبر 2024 در ACS Nano منتشر شد، توسط پروفسور محقق ماسازومی فوجیوارا از دانشگاه اوکایاما و با همکاری شرکت Sumitomo Electric و مؤسسه ملی علوم و فناوری کوانتومی هدایت شد.
پروفسور فوجیوارا میگوید: “این اولین نمایش NDهای درجه کوانتومی با اسپینهای فوقالعاده با کیفیت است، پیشرفتی که مدتها در این زمینه مورد انتظار بود. این NDها دارای ویژگیهایی هستند که برای سنجش زیستی کوانتومی و سایر کاربردهای پیشرفته بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند .
حسگرهای ND فعلی برای تصویربرداری زیستی با دو محدودیت اصلی روبرو هستند: غلظت بالای اخالصیهای اسپین، که حالتهای اسپین NV را مختل میکند، و نویز چرخش سطحی، که حالتهای اسپین را با سرعت بیشتری بیثبات میکند. برای غلبه بر این چالش ها، محققان بر تولید الماس های با کیفیت بالا با ناخالصی های بسیار کم تمرکز کردند.
آنها الماس های تک کریستالی غنی شده با 99.99 درصد اتم های کربن 12C را پرورش دادند و سپس مقدار کنترل شده نیتروژن (30-60 قسمت در میلیون) را برای ایجاد یک مرکز NV با حدود 1 قسمت در میلیون معرفی کردند. الماس ها به ND ها خرد شده و در آب معلق شدند.
NDهای حاصل دارای اندازه متوسط 277 نانومتر و حاوی 0.6-1.3 قسمت در میلیون مراکز NV با بار منفی بودند. آنها فلورسانس قوی را نشان دادند و به نرخ شمارش فوتون 1500 کیلوهرتز دست یافتند که آنها را برای کاربردهای تصویربرداری زیستی مناسب می کرد.
این ND ها همچنین خواص چرخشی افزایش یافته را در مقایسه با ND های بزرگتر موجود تجاری نشان دادند. آنها برای دستیابی به کنتراست ODMR 10 تا 20 برابر کمتر به توان مایکروویو نیاز داشتند، اوج شکاف را کاهش دادند و زمانهای آرامش چرخش را به میزان قابل توجهی طولانیتر نشان دادند T1 = 0.68 میلیثانیه، T2 = 3.2 میکرو ثانیه، که 6 تا 11 برابر بیشتر از آنها بود. از نوع Ib NDs.
این پیشرفتها نشان میدهد که ND ها حالتهای کوانتومی پایداری دارند که میتوان آنها را با تابش مایکروویو کم به دقت شناسایی و اندازهگیری کرد و خطر سمیت ناشی از مایکروویو را در سلولها به حداقل میرساند.
برای ارزیابی پتانسیل آنها برای سنجش بیولوژیکی، محققان NDs را به سلولهای HeLa وارد کردند و ویژگیهای اسپین را با استفاده از آزمایشهای ODMR اندازهگیری کردند. ND ها به اندازه کافی روشن بودند تا دید واضحی داشته باشند و علیرغم تأثیر کمی از حرکت براونی حرکت تصادفی ND در سلول ها طیف های باریک و قابل اعتمادی تولید کردند.
علاوه بر این، ND ها قادر به تشخیص تغییرات دمایی کوچک بودند. در دماهای حدود 300 کلوین و 308 کلوین، NDها فرکانسهای نوسانی مشخصی را نشان میدهند، که حساسیت دمایی 0.28 K/√Hz را نشان میدهند، که نسبت به NDs نوع Ib خالی برتری دارد.
با این قابلیتهای سنجش پیشرفته، حسگر پتانسیلی برای کاربردهای متنوع دارد، از سنجش بیولوژیکی سلولها برای تشخیص زودهنگام بیماری گرفته تا نظارت بر سلامت باتری و بهبود مدیریت حرارتی و عملکرد دستگاههای الکترونیکی با انرژی کارآمد.
پروفسور فوجیوارا می گوید: «این پیشرفت ها پتانسیل تغییر مراقبت های بهداشتی، فناوری، و مدیریت زیست محیطی، بهبود کیفیت زندگی و ارائه راه حل های پایدار برای چالش های آینده را دارند.