利用纳米金刚石制成的量子传感器，能够高灵敏度地捕捉血液中的微量物质，若能实用化，有望在疾病的超早期诊断等诸多领域带来创新。然而，现有制备方法是先把原料金刚石颗粒粉碎到纳米尺寸，再赋予传感功能，因此每颗颗粒本身的应变和损伤会造成测量误差，这是长期以来未解的课题。QST（国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构）联合千叶大学、东京科学大学、京都大学和Type-I Technologies公司（源自QST的初创企业），开发出了一项可在纳米金刚石量子传感器的制造过程中，将颗粒间的个体差异缩小到原来的约四分之一，并使ODMR量子信号强度提高55%的革新性制备技术。该技术能确保不受批次影响的高再现性与高可靠性，同时为未来量产开辟了道路，进而使癌症等疾病的超早期诊断的社会应用向前迈进了一大步。相关研究成果已发表于期刊《ACS Nanoscience Au》。
50～100纳米的纳米量子传感器能够测量影响电子自旋的温度、电场、磁场、自由基、pH、离子种类、黏度、蛋白质结构及生物标志物分子，即便在细胞内的微环境中也能获取信息。
金刚石不同晶面的氧化难易程度存在差异。研究团队着眼于这一性质，推测只要精密调控氧化条件，就能优先去除容易受晶格紊乱和表面官能团影响的部分，留下适合量子传感器的高结晶性部分。
为此，研究团队没有采用类似以往先将金刚石粉碎成细小颗粒的做法，而是开发出一种先在相对较大、结晶性良好的金刚石颗粒中制备出承担传感功能的NV中心，随后在空气中一边温和加热其表面，一边逐步打磨至纳米尺寸的新型制备方法。
通过这种方法，可以在减少机械破碎所致损伤与应变影响的同时，只取出10%的高结晶性核心部分，并将其加工到适用于细胞测量和分子检测的纳米尺寸。从结果来看，各颗粒中作为温度读数基准的D值，彼此间的离散度降到传统颗粒的约四分之一。即便使用大量纳米金刚石，每颗颗粒的量子响应差异也会缩小，有助于提高体液诊断等场景中测量的再现性与可靠性。
作为灵敏度指标之一的量子传感器信号强度（ODMR信号强度）同样提升了55%。也就是说，该方法不仅提升了传感器的均一性，也成功让每颗颗粒本身的量子信号更强。纳米金刚石量子诊断本已具备极高灵敏度，这一突破为更可靠地读取微弱的疾病相关信号打下了基础。
为验证这一方法在真实生物环境下的性能，研究团队在HeLa细胞内进行温度测量，结果得到了比传统颗粒更清晰的信号，细胞间温度读数的不确定度经温度换算后降至约0.7℃。这表明，通过在材料阶段抑制纳米金刚石的个体差异，即使细胞内部环境复杂，也能实现稳定的量子测量。
今后，随着细胞温度与病理状态的关系得以阐明，有望发展出一种凭借温度以高可靠性捕捉细胞状态差异的新型检测技术。
QST量子生命科学研究所的五十岚龙治团队负责人介绍道：“金刚石量子传感器的性能会随晶面不同而变化。当端基是H或CHO时，量子态会变得不稳定。于是我想，如果把这些端基烧掉，换成能让量子态稳定的C或CO，是不是就能提高灵敏度？这就是研究的契机。燃烧时间约为6小时，所以算上全部工序，只要一周左右就能大量制备金刚石纳米量子传感器。目前我们正在和东京科学大学的老师们推进相关研究，希望在2030年前后能用患者的血液开展测试。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：ACS Nanoscience Au
论文：Spin-Uniform Nanodiamond Quantum Sensors for Reproducible Intracellular Thermometry
DOI：doi.org/10.1021/acsnanoscienceau.6c00068
