Nanodiamantes de alta qualidade para aplicações de bioimagem e detecção quântica
Computação Quântica

Nanodiamantes de alta qualidade para aplicações de bioimagem e detecção quântica


Dentro brevemente

  • Pesquisadores da Universidade de Okayama criaram nanodiamantes (NDs) de grau quântico com características de spin comparáveis ​​às do diamante a granel, permitindo o uso de bioimagem altamente sensível e biossensor quântico.
  • Ao otimizar a estrutura do cristal de diamante e a criação do centro NV, os NDs alcançaram melhores tempos de relaxamento, menores requisitos de energia de microondas e maior fluorescência para medições precisas e de baixa toxicidade.
  • Esses sensores de nanodiamante mostraram alta sensibilidade à temperatura e biocompatibilidade e podem abrir caminho para aplicações na detecção precoce de doenças, gerenciamento térmico eletrônico e monitoramento ambiental.
  • Imagem: Pesquisadores criaram nanodiamantes (NDs) com centros de vacância de nitrogênio (NV) que apresentam propriedades de spin e fluorescência superiores em comparação com NDs comerciais. Esses NDs exibem longos tempos de relaxamento de spin e requerem menos energia de micro-ondas para atingir o spin, tornando-os adequados para detecção quântica de amostras biológicas. (Masazumi Fujiwara da Universidade de Okayama)

COMUNICADO DE IMPRENSA – A detecção quântica é um campo em rápido crescimento que utiliza estados quânticos de partículas, como superposição, emaranhamento e estados de spin, para detectar mudanças em sistemas físicos, químicos ou biológicos. Um tipo promissor de nanosensor quântico são os nanodiamantes (NDs) dopados com centros de vacância de nitrogênio (NV). Esses centros são criados substituindo um átomo de carbono por nitrogênio próximo ao espaço da rede na estrutura do diamante. Quando excitados pela luz, os centros NV emitem fótons que mantêm informações de spin estáveis ​​e são sensíveis a influências externas, como campos magnéticos, campos elétricos e temperatura. Mudanças nesses estados de spin podem ser detectadas usando ressonância magnética detectada opticamente (ODMR), que mede mudanças de fluorescência sob radiação de microondas. Os NDs com centros NV são biocompatíveis e podem ser projetados para interagir com moléculas biológicas específicas, tornando-os ferramentas valiosas para a detecção biológica. No entanto, os NDs utilizados para bioimagem geralmente apresentam qualidade de fundição inferior em comparação com diamantes a granel, levando à redução da sensibilidade e precisão nas medições.

Numa descoberta recente, cientistas da Universidade de Okayama, no Japão, desenvolveram sensores de nanodiamantes que são suficientemente brilhantes para bioimagem, com características de rotação comparáveis ​​às dos diamantes a granel. O estudo, publicado em ACS Nanoem 16 de dezembro de 2024, liderado pelo Professor Pesquisador Masazumi Fujiwara da Universidade de Okayama, em colaboração com a Sumitomo Electric Company e os Institutos Nacionais de Ciência e Tecnologia Quântica.

“Esta é a primeira demonstração de NDs de nível quântico com spins de alta qualidade, um avanço há muito esperado na área. Esses NDs têm propriedades que têm sido procuradas para biossensor quântico e outras aplicações avançadas”, disse o Prof. Fujiwara.

Imagem responsiva

Os sensores ND atuais para bioimagem enfrentam duas limitações principais: altas concentrações de impurezas de spin, que perturbam os estados de spin NV, e ruído de spin superficial, que decai os estados de spin muito rapidamente. Para superar estes desafios, os investigadores concentraram-se na produção de diamantes de alta qualidade com muito poucas impurezas. Eles cultivam diamantes de cristal único que são 99,99% enriquecidos 12Os átomos de carbono C introduzem então uma quantidade controlada de nitrogênio (30-60 partes por milhão) para formar um centro NV com cerca de 1 parte por milhão. Os diamantes são moídos em NDs e suspensos em água.

Os NDs obtidos tinham um tamanho médio de 277 nanômetros e continham 0,6–1,3 partes por milhão de centros NV carregados negativamente. Eles exibem forte fluorescência, atingindo uma taxa de contagem de fótons de 1.500 kHz, tornando-os adequados para aplicações de bioimagem. Esses NDs também apresentam propriedades de rotação melhoradas em comparação com NDs a granel comercialmente disponíveis. Eles necessitaram de 10 a 20 vezes mais potência de micro-ondas para atingir 3% de contraste ODMR, reduziram a polarização de pico e exibiram tempos de relaxamento muito mais longos (T1 = 0,68ms,T2 = 3,2 µs), que foi de 6 a 11 vezes maior que o dos DE tipo Ib. Este desenvolvimento mostra que os NDs têm estados quânticos estáveis, que podem ser detectados e medidos com precisão com baixa radiação de micro-ondas, reduzindo o risco de toxicidade induzida por micro-ondas para as células.

Para testar seu potencial de detecção biológica, os pesquisadores introduziram NDs em células HeLa e mediram as propriedades de spin usando experimentos ODMR. Os NDs eram brilhantes o suficiente para serem vistos claramente e produziam espectros pequenos e confiáveis, apesar de alguma influência do movimento browniano (o movimento aleatório do ND dentro das células). Além disso, os NDs poderiam detectar pequenas mudanças de temperatura. Em temperaturas em torno de 300 K e 308 K, os NDs apresentaram diferentes frequências de oscilação, apresentando uma sensibilidade à temperatura de 0,28 K/√Hz, que é maior que os NDs tipo Ib em branco.

Com essas capacidades de detecção avançadas, o sensor tem potencial para uma variedade de aplicações, desde a detecção biológica de células para detecção precoce de doenças até o monitoramento da vida útil da bateria e melhoria do gerenciamento térmico e do desempenho de dispositivos eletrônicos com eficiência energética. “Esses desenvolvimentos têm o potencial de transformar os cuidados de saúde, a tecnologia e a gestão ambiental, melhorando a qualidade de vida e fornecendo soluções sustentáveis ​​para desafios futuros”, disse o Prof. Fujiwara.



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