科学家们将纳米钻石封入微小的移动水滴中，以提高量子传感的能力。这种新技术使研究人员能够检测某些离子和分子的微量，并可能在环境监测、医学、生物工程等领域找到应用。
将普通的绿色激光、能量大约相当于您Wi-Fi的微波和一些水滴中的钻石粉末结合在一起，您会得到什么？一个精确的化学检测工具。
研究人员首次结合了微液滴中的纳米钻石用于量子传感。这种新技术精确、快速、敏感，并且只需要小量要研究的材料——在研究微量化学物质或单个细胞时非常有帮助。研究结果于12月发表在期刊《科学进展》上。
负责该项目的能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）化学科学部门的研究科学家及加州大学伯克利分校助理教授阿肖克·阿乔表示：“我们甚至不确定我们的技术是否有效，但结果出乎意料地简单而有效。这个传感器可以应用于广泛的环境，帮助您发现通常难以检测的东西。”
量子传感利用在最小尺度上出现的独特性质。在他们的新方法中，研究人员制造了一系列比雨滴小数百万倍的微液滴。这些液滴中填充了一种特殊类型的钻石，其中一些碳原子被去除并添加了氮原子。这些“氮空位”作为量子传感器，赋予纳米钻石特殊的属性：当液滴流过激光并被微波撞击时，纳米钻石发出光。存在微波场时的光强与纳米钻石周围的材料有关，使研究人员能够判断感兴趣的化学物质是否在附近。
流动液滴与精确调制的微波的结合使研究人员能够忽略不必要的背景噪声，并提高了精度。在检测小样本体积中微量磁性（或“顺磁性”）化学物质时，这种新型流动纳米钻石方法已经超越了领先技术。
（如果您在想科学经费毫不吝啬，请放心——研究人员可以以大约63美分的钻石粉分析数十万个液滴，这使其成为一种相对便宜且有效的选择。）
小传感器，大应用
随着进一步发展，纳米钻石在液滴中的潜在应用方式有很多。
在这项新研究中，由加州大学伯克利分校和伯克利实验室研究生阿德里莎·萨卡尔以及伯克利实验室博士后扎克·琼斯领导的研究团队成功地检测到了少量两种顺磁性物质：钆离子和TEMPOL，这是一种对氧敏感的稳定自由基分子。
其他几种顺磁性离子也引起了兴趣，但使用传统技术很难进行研究。活性氧种（ROS）就是这种情况，这是一种短命的氧分子，已被与细胞代谢、衰老和压力有关。这种新技术可能在单细胞内更好地检测活性氧，给专家提供跟踪细胞健康的方法，这对研究癌症等疾病具有重要意义。该团队已经在为这样的研究做准备。
他们还在研究如何将有助于识别的附加组件（如抗体）连接到纳米钻石上，以扩展生物研究工具。可以想象使用该技术构建更好的诊断测试，以在病毒仅存在微量的情况下识别病毒。或者，由于该方法相对低技术，阿乔预见到一个便携式系统，可以用于在现场或工业环境中监测空气或水中的有害微量污染物和化学品。由于纳米钻石微液滴廉价且丰富，这种技术可以扩大规模，以高度灵敏度测量数百种不同样本，并解决复杂的现实世界问题。
这种新方法还可能对未来自驱动的生物反应器的创建有用。生物反应器为生长微生物创造了受控环境，这些微生物可以制造药物、生物燃料或食品成分。由于每个纳米钻石液滴可以充当微观“烧杯”，并能够容纳一个细胞，研究人员可能能使用该技术调整生物反应器。
伯克利实验室高级生物燃料和生物产品工艺开发单位主任迪皮蒂·坦乔尔表示：“您可以设想在全球或太空的艰苦环境中建立生物反应器，以制造您无法每天交付的食品。拥有可以告诉您微生物培养物行为的精确量子传感器是实现这个梦想的重要一步。要构建一个自我调节的生物反应器，我们需要实时的细胞内数据。”
