دستاورد نوین در فناوری نانوالماس/ تصویربرداری زیستی و تشخیص بیماری با حسگرهای کوانتومی

به گزارش خبرنگار علم و فناوری Brenna، محققان در فناوری حسگرهای نانوالماس با خواص چرخشی در مقیاس کوانتومی که برای تصویربرداری زیستی و حسگر زیستی ایده آل هستند، به موفقیت دست یافته اند. این حسگرهای پیشرفته نوید کاربردهای انقلابی در فناوری های پزشکی و انرژی را می دهند.

سنجش کوانتومی و نقش نانو قطرها

سنجش کوانتومی یک میدان نوظهور است که از خواص کوانتومی ویژه ذرات مانند حالت‌های برهم نهی، درهم تنیدگی و اسپین برای تشخیص تغییرات در محیط فیزیکی، شیمیایی یا بیولوژیکی استفاده می‌کند. یکی از ابزارهای امیدوارکننده در این زمینه، نانوالماس های حاوی مراکز خالی نیتروژن (NV) است. این مراکز زمانی تشکیل می شوند که یک اتم کربن در شبکه الماس با نیتروژن جایگزین شود و در نزدیکی آن جای خالی ایجاد شود. با انتقال نور به این مراکز، فوتون هایی ساطع می شوند که اطلاعات چرخشی ثابتی را حفظ می کنند و به عواملی مانند میدان های مغناطیسی، الکتریکی و حرارتی واکنش نشان می دهند.

محققان با استفاده از تکنیکی به نام «رزونانس مغناطیسی تشخیص نوری» (ODMR)، تغییرات فلورسانس را در مراکز NV تحت تابش مایکروویو اندازه‌گیری می‌کنند و تغییرات ظریف در حالت‌های اسپین را آشکار می‌کنند. نانوالماس‌های زیست سازگار و قابل تنظیم را می‌توان برای تعامل با مولکول‌های زیستی خاص مهندسی کرد و به ابزاری ارزشمند برای سنجش در سیستم‌های بیولوژیکی تبدیل شد. با این حال، نانوالماس‌های مورد استفاده در تصویربرداری زیستی از کیفیت چرخشی پایین‌تری نسبت به الماس حجیم برخوردار هستند که حساسیت و دقت آن‌ها را در تشخیص تغییرات محدود می‌کند.

پیشرفتی در فناوری حسگر نانوالماس

دانشمندان در دانشگاه اوکایاما در ژاپن، با همکاری Sumitomo Electric و موسسه ملی علوم و فناوری کوانتومی، حسگرهای نانوالماسی را تولید کرده‌اند که به اندازه کافی درخشان هستند و دارای کیفیت چرخشی قابل مقایسه با الماس‌های بزرگتر هستند این تحقیق که در 16 دسامبر 2024 در مجله ACS Nano منتشر شد، تحت نظارت Maszumi Fujiwara انجام شد.

فوجیوارا گفت: «این اولین نمایش نانوالماس کوانتومی با کیفیت چرخشی بسیار بالا است. پیشرفتی که مدت ها در این زمینه انتظار می رفت اکنون راه را برای سنجش زیستی کوانتومی و سایر کاربردهای پیشرفته هموار می کند.

چالش ها و نوآوری ها در تولید نانوالماس

سنسورهای نانوالماس فعلی در تصویربرداری زیستی از دو محدودیت اصلی رنج می‌برند: غلظت بالای ناخالصی‌های اسپین که حالت‌های اسپین NV را مختل می‌کند و نویز اسپین سطحی که به سرعت پایداری این حالت‌ها را کاهش می‌دهد. 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 بلوری غنی شده با 99.99 درصد اتم های کربن 12 را تولید کردند و سپس مقداری نیتروژن (30 تا 60 قسمت در میلیون) به آن اضافه کردند و مراکز NV را در حدود 1 قسمت در میلیون ایجاد کردند الماس ها به شکل نانوالماس در آب پراکنده و معلق می شوند.

عملکرد خوب برای کاربردهای بیولوژیکی

نانوالماس های تولید شده دارای مراکز NV منفی 0.6 تا 1.3 ppm با اندازه متوسط ​​277 نانومتر هستند و فلورسانس قوی با نرخ شمارش فوتون 1500 کیلوهرتز از خود نشان می دهند که آنها را برای تصویربرداری زیستی مناسب می کند.

این نانوالماس ها خواص چرخشی بهتری نسبت به نمونه های تجاری نشان دادند. آنها برای دستیابی به کنتراست 3% ODMR به 10-20 برابر توان مایکروویو کمتری نیاز داشتند، جداسازی کمی بالاتری داشتند و زمان آرامش آنها (T1 = 0.68 ms، T2 = 3.2 μs) 6-11 برابر بیشتر از نانو قطر بود.

کاربردهای مختلف در سلامت و فناوری

برای بررسی پتانسیل حس زیستی، محققان نانوالماس‌ها را به سلول‌های HeLa تزریق کردند و خواص چرخشی آن‌ها را با آزمایش‌های ODMR اندازه‌گیری کردند. نانوالماس‌ها طیف‌های باریک و روشن و قابل اعتمادی تولید کردند. همچنین این سنسورها قادر به تشخیص تغییرات جزئی دما بودند و حساسیت دمایی 0.28 K/√Hz را نشان دادند.

این پیشرفت‌ها راه را برای کاربردهای مختلف، از تشخیص زودهنگام بیماری گرفته تا مدیریت حرارتی و بهبود عملکرد دستگاه‌های الکترونیکی کارآمد هموار می‌کند.

فوجی‌وارا گفت که این پیشرفت‌ها می‌تواند مراقبت‌های بهداشتی، فناوری و مدیریت زیست‌محیطی را متحول کند و راه‌حل‌های پایدار برای چالش‌های آینده ارائه دهد.

انتهای پیام/