科學家找到方法，能將鑽石量子傳感器植入活細胞

奢華鑽石、量子物理學和平板QLED電視有什麼共同之處呢？嗯，如果你把它們的特性結合起來，就可以得到能夠放入細胞內並在糖尿病、癌症等疾病的最早期階段就檢測到這些疾病的量子傳感器。

這並非遙不可及的想法，而是芝加哥大學和愛荷華大學的研究人員的最新成果。

通過使用一種也用於 QLED屏幕 的特殊外殼，他們將普通的鑽石納米粒子轉變成了能夠在活細胞內工作的先進量子傳感器。這個創新可能會徹底改變我們監測細胞健康、早期發現疾病的方式。

這位研究人員在他們的研究中指出：“這項工作在納米級量子傳感方面取得了基礎性進展，對精確診斷、細胞成像和其他生物工程應用具有重要意義。”

科學家們很早就發現，鑽石中的特殊缺陷（稱爲氮 - 空位（NV）中心）能夠起到微小量子傳感器的作用。這些NV中心對磁場、溫度和電信號的變化非常敏感，這使得它們非常適合檢測活細胞內部或材料深處正在發生的情況。

然而，存在一個問題。要在細胞內獲取鑽石，它們必須被製造得極小——納米鑽石，寬度小於100納米。在如此微小的尺度下，氮 - 空位（NV）中心不能很好地工作了。它們的量子信號會衰減，並且不再像科學家所需要的精確傳感器那樣發揮作用。

多年來，研究人員嘗試了不同的方法來解決這個問題。他們嘗試清潔鑽石表面、改變形狀，甚至調整晶體結構。然而，無論他們做什麼，納米鑽石的量子性能仍然不盡如人意。

“以前人們曾將鑽石納米晶體用作生物傳感器，但他們發現其性能比我們預期的要差，差很多，”芝加哥大學的首席研究員、博士生烏里·茲維（Uri Zvi）說道。這正是這項新研究能產生巨大影響的地方。

研究人員從一個完全不同的領域——消費電子學中獲得了靈感。他們注意到，在量子點發光二極管（QLED）電視中，被稱爲< a href="#" rel="dofollow">量子點< /a>的微小發光粒子被塗上特殊的外殼，以防止它們分解和失去亮度。這些外殼使量子點保持穩定，並使其性能保持一致。

該團隊決定對量子金剛石傳感器嘗試類似的策略。他們開發出了一種獨特的核殼結構，其中金剛石納米粒子構成核心，外面包裹着二氧化硅，這是一種化學性質穩定、生物安全性高且易於使用的材料。

這種二氧化硅外殼起到了絕緣的作用，使氮 - 空位（NV）中心免受表面損傷和環境噪音的干擾。研究人員仔細地調整了外殼的厚度，以及它與金剛石表面化學鍵合的方式。這些步驟有助於保存金剛石的量子特性。

最終結果相當令人印象深刻。塗層納米金剛石的信號強度和未塗層的相比，提高了1.8倍。更重要的是，即使被引入活細胞後，它們仍能發射穩定的量子信號。

在顯微鏡下，科學家們仍然能夠從細胞環境內部讀取清晰的量子信號，這是以前做不到的一項重大成就。“最終的影響不只是有了更好的傳感器，而是有了一個新的定量框架，能用來設計量子納米材料的相干性和電荷穩定性。”茲維說。

這項研究發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上。