바이오이미징 및 양자 감지 응용 분야를 위한 고품질 나노다이아몬드

양자 감지는 중첩, 얽힘, 스핀 상태와 같은 입자의 양자 상태를 활용하여 물리적, 화학적 또는 생물학적 시스템의 변화를 감지하는 빠르게 발전하는 분야입니다. 유망한 유형의 양자 나노센서는 질소-공석(NV) 센터가 장착된 나노다이아몬드(ND)입니다. 이러한 센터는 다이아몬드 구조의 격자 공석 근처에서 탄소 원자를 질소로 대체하여 생성됩니다. 빛에 의해 여기되면 NV 센터는 안정적인 스핀 정보를 유지하고 자기장, 전기장 및 온도와 같은 외부 영향에 민감한 광자를 방출합니다.

이러한 스핀 상태의 변화는 마이크로파 방사선 하에서 형광 변화를 측정하는 광학적으로 검출된 자기 공명(ODMR)을 사용하여 검출할 수 있습니다. NV 센터가 있는 ND는 생체 적합성이 있으며 특정 생물학적 분자와 상호 작용하도록 설계할 수 있어 생물학적 감지에 귀중한 도구가 됩니다. 그러나 바이오 이미징에 사용되는 ND는 일반적으로 벌크 다이아몬드에 비해 스핀 품질이 낮아 측정 시 감도와 정확도가 떨어집니다.

최근 획기적인 발견으로 일본 오카야마 대학의 과학자들은 바이오 이미징에 충분히 밝은 나노다이아몬드 센서를 개발했으며, 스핀 특성은 벌크 다이아몬드와 유사합니다. 2024년 12월 16일 ACS Nano에 게재된 이 연구는 오카야마 대학의 연구 교수인 마사즈미 후지와라가 주도했으며, 스미토모 전기 회사와 국립 양자 과학 기술 연구소와 협력했습니다.

"이것은 매우 고품질의 스핀을 가진 양자 등급 ND의 첫 번째 시연이며, 이 분야에서 오랫동안 기다려온 획기적인 진전입니다. 이러한 ND는 양자 바이오센싱 및 기타 고급 응용 분야에서 매우 수요가 많은 특성을 가지고 있습니다."라고 후지와라 교수는 말합니다.

바이오 이미징을 위한 현재의 ND 센서는 두 가지 주요 한계에 직면해 있습니다. NV 스핀 상태를 방해하는 고농도의 스핀 불순물과 스핀 상태를 더 빠르게 불안정하게 만드는 표면 스핀 노이즈입니다. 이러한 과제를 극복하기 위해 연구자들은 불순물이 매우 적은 고품질 다이아몬드를 생산하는 데 집중했습니다. 그들은 99.99%의 12C 탄소 원자로 강화된 단결정 다이아몬드를 성장시킨 다음 , 약 1ppm의 NV 센터를 만들기 위해 조절된 양의 질소(30-60ppm)를 도입했습니다. 다이아몬드는 ND로 분쇄되어 물에 현탁되었습니다.

그 결과 생성된 ND는 평균 크기가 277나노미터였고 백만 분의 0.6-1.3의 음전하 NV 센터를 포함했습니다. 이들은 강한 형광을 나타내어 1500kHz의 광자 계수율을 달성하여 바이오 이미징 응용 분야에 적합했습니다. 이러한 ND는 또한 상업적으로 이용 가능한 더 큰 ND에 비해 향상된 스핀 특성을 보였습니다. 이들은 3% ODMR 대비를 달성하는 데 10-20배 적은 마이크로파 전력이 필요했고, 피크 분할이 감소했으며, 상당히 긴 스핀 완화 시간(T 1 = 0.68ms, T 2 = 3.2µs)을 보였는데, 이는 Ib형 ND보다 6~11배 더 길었습니다. 이러한 개선 사항은 ND가 안정적인 양자 상태를 가지고 있으며, 낮은 마이크로파 방사선으로 정확하게 감지 및 측정할 수 있어 세포에서 마이크로파 유도 독성의 위험을 최소화할 수 있음을 나타냅니다.

연구자들은 생물학적 감지에 대한 잠재력을 평가하기 위해 HeLa 세포에 ND를 도입하고 ODMR 실험을 사용하여 스핀 특성을 측정했습니다. ND는 선명한 가시성을 위해 충분히 밝았고 브라운 운동(세포 내에서 무작위 ND 이동)의 영향에도 불구하고 좁고 신뢰할 수 있는 스펙트럼을 생성했습니다. 더욱이 ND는 작은 온도 변화를 감지할 수 있었습니다. 300K와 308K의 온도에서 ND는 뚜렷한 진동 주파수를 나타내어 0.28K/√Hz의 온도 감도를 보였으며, 이는 베어 타입 Ib ND보다 우수했습니다.

이러한 고급 감지 기능을 갖춘 센서는 조기 질병 감지를 위한 세포의 생물학적 감지부터 배터리 상태 모니터링, 에너지 효율적인 전자 기기의 열 관리 및 성능 향상에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 잠재력을 가지고 있습니다. "이러한 발전은 의료, 기술 및 환경 관리를 혁신하여 삶의 질을 향상시키고 미래의 과제에 대한 지속 가능한 솔루션을 제공할 잠재력이 있습니다."라고 후지와라 교수는 말합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241223135059.htm