据麦姆斯咨询介绍，美国加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室和Adamas Nanotechnologies公司等机构的研究人员将量子传感与液滴微流控技术相结合，开发出了一种高灵敏的化学检测系统，仅需最小的样品量就能实现精确测量。
与“单晶金刚石”传感器相比，该化学检测系统采用含有氮空位（NV）色心的“纳米金刚石”封装在微小液滴中，可提高测量稳定性、降低噪声和成本。该系统对顺磁离子的检测限低至100纳摩尔，有望应用于便携式诊断、单细胞分析以及环境监测等领域。
相关研究成果已经以“High-precision chemical quantum sensing in flowing monodisperse microdroplets”为题发表在《科学进展》（Science Advances）上。该研究介绍了一种精度极高的化学检测平台，利用由纳米金刚石制成的量子传感器来检测化学物质。这些含有NV色心的纳米金刚石被封装在微型液滴之中，使研究人员能够克服传统化学传感中的关键挑战。这种新颖的方法可以降低噪声，实现长时间的稳定性，并且仅需很少的样品量。
研究人员指出：“这项研究工作取得了重要进展，其应用包括便携式化学测试设备、无放大化学分析以及用于探测微环境中反应的化学成像工具等。”
重要意义
据研究小组称，该化学检测系统的主要创新在于它能够利用极少量的分析物或测试材料，进行高精度的化学检测。这项技术有朝一日可用于开发便携式化学传感器，改进细胞分析工具，并在诊断、生物反应器和环境传感等一系列领域实现无需放大的化学检测。
该化学检测平台还有望用于实时细胞内监测、单细胞分析和化学成像。通过利用量子传感器的精度和液滴微流控技术的多功能性，这项研究为在受限环境中探测反应开辟了新可能。
例如，研究人员提出，将这项技术与流式细胞术（一种分析流体中细胞的技术）相结合，有望变革单细胞代谢组学的研究。通过检测单个细胞内的活性氧（ROS），该系统能够以前所未有的细节监测细胞代谢。
液滴中的量子传感器
该量子传感器依赖于金刚石中的NV色心。这些色心是两个碳原子被一个氮原子和一个空位取代的缺陷。NV色心特别有用，因为其自旋态（与其磁性有关）对环境变化高度敏感。通过测量NV色心暴露于微波和激光下发出光的频率位移，可以捕捉到这种环境变化敏感性。
据研究人员称，到目前为止，利用NV色心进行化学传感主要依靠单晶金刚石（或称为钻石），这种金刚石价格昂贵，需要精确对准，而且与目标分子的表面相互作用有限。相比之下，在这项研究中，研究小组采用了纳米金刚石——几个纳米大小的微小金刚石颗粒，可以在液体环境中与化学物质密切相互作用。这种纳米金刚石不会与活体组织发生化学或生物作用，具有生物惰性。纳米金刚石还具有成本效益，可以针对特定应用量身定制。
为了提高性能，研究人员使用了液滴微流控技术，这是一种在比头发丝宽度还小的通道中操控微小液滴的方法。这些液滴就像微型反应室，将纳米金刚石和分析物限制在受控条件下。通过让液滴流经检测系统，研究人员对数千个液滴进行了稳定、抗噪的测量。
工作原理
该化学检测系统将纳米金刚石载入皮升大小（比标准水滴小约十亿倍）的液滴中。这些液滴流经一个微流控芯片，并在此受到绿色激光照射和微波场的作用。纳米金刚石中的NV色心会发出红色荧光，这种荧光会根据顺磁离子等化学物质的存在而变化。这种光学信号可以通过一种名为光探测磁共振（ODMR）的技术进行检测和分析。
微流控芯片示意图。芯片上包含两个聚焦结，即J1和J2。J1用于产生包含纳米金刚石的液滴，而J2则可以调节液滴间距。液滴在物镜和微波线圈（MW Coil）上方的区域（虚线区域a）中进行分析，然后进入迂回区域以诱导液滴内部的额外混合（区域b），并储存在收集室（区域c）中。
液滴运动可以抵消纳米金刚石尺寸、取向或其它不一致引起的波动，从而提高了测量精度。研究人员还采用了一种双重调制技术，利用微波和液滴流动，将量子传感信号从背景噪声中分离出来，进一步提高了灵敏度。
液滴双锁定检测。通过液滴流动和微波调制实现双锁定检测。液滴以受控速度进入分析区域，同时受激光照射和微波激发，产生两种调制频率fD和fMW。
在实验中，研究小组展示了该系统检测钆离子（一种顺磁分析物）的能力，其检测限低至100纳摩尔，研究小组表示，以前很难在如此小的样品量中达到这样的检测水平。他们还检测了TEMPOL等活性物质（一种超氧化物歧化酶类似物，常见的ROS化学探针），其检测限低于2微摩尔。
感测流动微滴中的顺磁物质，以钆离子（Gd³⁺）和TEMPOL为模型系统的实验
影响和应用
研究人员表示，他们的创新成果为便携、精确且低成本的下一代化学传感器铺平了道路，其潜在应用包括：
- 诊断：用于血液和其它体液中痕量化学物质或生物标记物的无放大检测。
- 生物工程：实时监控生物反应器中的细胞代谢或化学反应。
- 环境监测：用于现场检测水和空气污染物的装置。
- 单细胞分析：研究单个细胞化学构成的工具，可深入了解新陈代谢、疾病和药物反应。
将该化学检测平台与流式细胞仪等现有技术相结合，可以大大扩展其应用范围。研究人员设想了一种“量子增强型”流式细胞仪，可将细胞分析与精确化学传感相结合。
研究局限和未来方向
该化学检测平台目前的功能还仅限于钆和TEMPOL等特定分析物。未来的研究需要探索更广泛的化学物质检测范围，并验证该系统在现实世界中的实际应用。
研究人员还计划进一步开发跟踪液滴中纳米金刚石的方法，从而实现实时化学成像。他们还提出提高吞吐量，每小时分析数百万个液滴，并将该系统集成到小巧的便携式设备中，以供现场使用。
另一个潜在方向是将纳米金刚石用于磁力计或加速度计等先进传感应用。研究人员强调，该平台在数小时连续测量过程中的稳定性，使其成为此类高精度任务的理想选择。
这项研究展示了量子传感技术如何与现有工具相结合，进而提供实用的解决方案。通过解决传统化学传感器的局限性，该方法为高精度、高成本效益且可扩展的化学检测系统奠定了基础。
论文信息：
DOI: 10.1126/sciadv.adp40
