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

به گزارش خبرنگار علم و فناوری برنا، محققان در فناوری سنسورهای نانو الماس با مشخصات مدار کوانتومی که برای تصویربرداری بیولوژیکی و بیولوژیکی بسیار مناسب هستند، به موفقیت های زیادی دست یافته اند. این حسگرهای پیشرفته نوید کاربردهای انقلابی در فناوری های پزشکی و انرژی را می دهند.

سنجش کوانتومی و نقش نانوالماس ها

سنجش کوانتومی یک میدان نوظهور است که از خواص کوانتومی منحصر به فرد ذرات مانند برهم نهی، درهم تنیدگی و چرخش برای تشخیص تغییرات در محیط های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی استفاده می کند. 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 یک جای خالی در نزدیکی آن ایجاد شود. با تابش نور به این مراکز، فوتون هایی ساطع می شوند که اطلاعات چرخشی پایدار را ذخیره می کنند و به عواملی مانند میدان های مغناطیسی، الکتریکی و حرارتی پاسخ می دهند.

محققان با استفاده از تکنیکی به نام تشدید مغناطیسی نوری (ODMR)، تغییرات فلورسانس را در مراکز NV تحت تابش مایکروویو اندازه‌گیری می‌کنند و تغییرات ظریف در حالت اسپین را تشخیص می‌دهند. نانوالماس های زیست سازگار و سفارشی می توانند برای تعامل با مولکول های زیستی خاص طراحی شوند و به ابزاری ارزشمند برای سنجش در سیستم های بیولوژیکی تبدیل شوند. با این حال، نانوالماس های مورد استفاده در تصویربرداری زیستی کیفیت چرخشی پایین تری نسبت به الماس های حجیم دارند که حساسیت و دقت آنها را در تشخیص تغییرات محدود می کند.

یک دستاورد مهم در فناوری حسگر نانوالماس

دانشمندان دانشگاه اوکایاما در ژاپن، با همکاری سومیتومو الکتریک و موسسه ملی علوم و فناوری کوانتومی، حسگرهای نانوالماسی تولید کرده‌اند که برای تصویربرداری بیولوژیکی به اندازه کافی روشن هستند و کیفیت چرخش آن‌ها با الماس‌های حجیم قابل مقایسه است. این تحقیق که در 16 دسامبر 2024 در مجله ACS Nano منتشر شد، زیر نظر ماسازومی فوجیوارا انجام شد.

فوجیوارا اظهار داشت: این اولین نمایش نانوالماس کوانتومی با کیفیت چرخش بسیار بالا است. پیشرفتی که مدت ها در این زمینه مورد انتظار بود اکنون راه را برای سنجش زیستی کوانتومی و دیگر کاربردهای پیشرفته هموار می کند.

چالش ها و نوآوری ها در تولید نانو الماس

سنسورهای نانوالماس فعلی در تصویربرداری زیستی با دو محدودیت عمده روبرو هستند: غلظت بالای ناخالصی اسپین که حالت‌های اسپین NV را مختل می‌کند و نویز اسپین سطحی که به سرعت پایداری این حالت‌ها را از بین می‌برد. برای غلبه بر این مشکل، محققان بر تولید الماس با کیفیت بالا با ناخالصی های بسیار کم تمرکز کردند.

آنها الماس های تک کریستالی غنی شده با 99.99 درصد اتم های کربن 12 تولید کردند و سپس با افزودن کنترل شده نیتروژن (30 تا 60 قسمت در میلیون)، مراکز NV با غلظت حدود 1 قسمت در میلیون را تشکیل دادند. الماس ها خرد شده و به شکل نانوالماس در آب معلق شدند.

عملکرد بهبود یافته برای کاربردهای بیولوژیکی

نانوالماس های تولید شده با اندازه متوسط ​​277 نانومتر دارای مراکز NV منفی 0.6-1.3 ppm بودند و فلورسانس قوی در نرخ شمارش فوتون 1500 کیلوهرتز نشان دادند که آنها را برای بیو ایموگرافی مناسب می کند.

این نانوالماس ها خواص جریان بهتری را در مقایسه با نمونه های تجاری نشان دادند. آنها برای دستیابی به کنتراست ODMR 10 تا 20 برابر کمتر به توان مایکروویو نیاز داشتند، تفکیک پیک کمتری داشتند و زمان آرامش (T1 = 0.68 میلی‌ثانیه، T2 = 3.2 میکرو ثانیه) 6 تا 11 برابر بیشتر از نانوالماس‌ها بود.

برنامه های مختلف در سلامت و فناوری

برای بررسی پتانسیل بیولوژیکی، محققان نانوالماس‌ها را به سلول‌های HeLa تزریق کردند و ویژگی‌های دوچرخه‌سواری آن‌ها را با آزمایش‌های ODMR اندازه‌گیری کردند. نانوالماس ها طیف های باریک به اندازه کافی شفاف و قابل اعتماد تولید کردند. همچنین این سنسورها قادر به تشخیص تغییرات جزئی دما بودند و حساسیت دمایی 0.28 K/√H 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 این پیشرفت‌ها می‌تواند مراقبت‌های بهداشتی، فناوری و مدیریت محیط‌زیست را متحول کند و راه‌حل‌های پایدار برای چالش‌های آینده ارائه دهد.

انتهای پیام/