岡山大學(xué)的研究人員開發(fā)出了量子級納米金剛石，其自旋特性與塊體型金剛石相當(dāng)，可實(shí)現(xiàn)高靈敏度的生物成像和量子傳感應(yīng)用。

       通過優(yōu)化金剛石晶體成分和氮-空位（NV）色心的產(chǎn)生，納米金剛石實(shí)現(xiàn)了更好的自旋弛豫時間、更低的微波功率要求和增強(qiáng)的熒光，從而實(shí)現(xiàn)了精確、低毒性的測量。

       納米金剛石傳感器表現(xiàn)出卓越的溫度靈敏度和生物相容性，可以為早期疾病檢測、電子熱管理和環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用鋪平道路。

研究人員制備出具有NV色心的高品質(zhì)納米金剛石，與商用的納米金剛石相比，其表現(xiàn)出卓越的自旋特性和熒光。

       量子傳感（Quantum Sensing）是一個近期快速發(fā)展的科技領(lǐng)域，其利用粒子的量子態(tài)（例如疊加、糾纏和自旋態(tài)）來檢測物理、化學(xué)或生物系統(tǒng)的變化。一種很有前途的量子納米傳感器是具有氮-空位（NV）色心的納米金剛石（nanodiamonds，ND）。

       NV色心是通過在金剛石結(jié)構(gòu)中的晶格空位附近用氮取代碳原子而產(chǎn)生的。NV色心保持穩(wěn)定的自旋狀態(tài)，當(dāng)受到光激發(fā)時，NV色心會發(fā)射光子，并對磁場、電場和溫度等外部環(huán)境影響敏感。NV色心自旋狀態(tài)的變化可以通過光學(xué)檢測磁共振（ODMR）來檢測，該技術(shù)可測量微波輻射下的熒光變化。

       NV色心納米金剛石具有生物相容性，可以設(shè)計為與特定生物分子相互作用，使其成為生物傳感的寶貴工具。然而，用于生物成像的納米金剛石通常表現(xiàn)出比塊體型金剛石更低的自旋質(zhì)量，從而導(dǎo)致測量靈敏度和準(zhǔn)確性降低。

       據(jù)麥姆斯咨詢報道，日本岡山大學(xué)（Okayama University）的科學(xué)家最近在納米金剛石方面取得了突破，其自旋特性可與塊體型金剛石相媲美，并開發(fā)出亮度足以進(jìn)行生物成像的納米金剛石傳感器。這項(xiàng)研究以“Bright Quantum-Grade Fluorescent Nanodiamonds”為題發(fā)表在ACS Nano期刊上，由岡山大學(xué)研究教授Masazumi Fujiwara領(lǐng)導(dǎo)，并與住友電氣公司和日本國立量子科學(xué)技術(shù)研究所合作。

       Masazumi Fujiwara教授表示：“這是首次展示具有極高質(zhì)量自旋的量子級納米金剛石，這是該領(lǐng)域期待已久的突破。這種納米金剛石具有量子生物傳感和其它先進(jìn)應(yīng)用所追求的特性?！?/p>

       目前用于生物成像的納米金剛石傳感器面臨兩個主要限制：（1）高濃度的自旋雜質(zhì)會破壞NV色心自旋狀態(tài)；（2）表面自旋噪聲會更快地破壞自旋狀態(tài)。為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員專注于生產(chǎn)雜質(zhì)極少的高質(zhì)量金剛石。他們培育了富含99.99% 12C碳原子的單晶金剛石，引入了可控量的氮（30-60 ppm）以形成約1 ppm的NV色心，然后再將金剛石壓碎成納米金剛石并懸浮在水中。

       所得納米金剛石的平均尺寸為277納米，含有0.6-1.3 ppm的帶負(fù)電的NV色心。它們顯示出強(qiáng)烈的熒光，光子計數(shù)率達(dá)到1500 kHz，使其適合生物成像和量子傳感等應(yīng)用。與市售的較大納米金剛石相比，本項(xiàng)研究制備的納米金剛石還表現(xiàn)出增強(qiáng)的自旋特性，其需要的微波功率降低，峰值分裂減少，并顯示出明顯更長的自旋弛豫時間 (T? = 0.68毫秒，T? = 3.2微秒)。這些改進(jìn)表明本項(xiàng)研究制備的納米金剛石具有穩(wěn)定的量子態(tài)，可以用低微波輻射準(zhǔn)確檢測和測量外部環(huán)境變化，從而最大限度地降低微波誘導(dǎo)細(xì)胞毒性的風(fēng)險。

       為了評估其生物傳感的潛力，研究人員將制備的納米金剛石引入HeLa細(xì)胞，并使用光學(xué)檢測磁共振（ODMR）實(shí)驗(yàn)測量自旋特性。盡管受到布朗運(yùn)動（細(xì)胞內(nèi)隨機(jī)的納米金剛石運(yùn)動）的影響，但納米金剛石產(chǎn)生的熒光足夠亮，清晰可見，并產(chǎn)生窄而可靠的光譜。此外，該納米金剛石能夠檢測到微小的溫度變化。在300 K和308 K左右的溫度下，該納米金剛石表現(xiàn)出不同的振蕩頻率，溫度靈敏度為0.28 K/√Hz。

       憑借這些先進(jìn)的傳感能力，該納米金剛石傳感器具有多種應(yīng)用潛力，從“用于早期疾病診斷的細(xì)胞生物傳感”到“監(jiān)測電池健康狀況”，以及“增強(qiáng)節(jié)能電子設(shè)備的熱管理和性能”。Masazumi Fujiwara教授說到：“納米金剛石的進(jìn)步有可能改變醫(yī)療保健、技術(shù)和環(huán)境管理，提高人類生活質(zhì)量并為未來的挑戰(zhàn)提供可持續(xù)的解決方案?！?/p>