- 冈山大学的研究人员开发出了量子级纳米金刚石，其自旋特性与块体型金刚石相当，可实现高灵敏度的生物成像和量子传感应用。
- 通过优化金刚石晶体成分和氮-空位（NV）色心的产生，纳米金刚石实现了更好的自旋弛豫时间、更低的微波功率要求和增强的荧光，从而实现了精确、低毒性的测量。
- 纳米金刚石传感器表现出卓越的温度灵敏度和生物相容性，可以为早期疾病检测、电子热管理和环境监测等应用铺平道路。
研究人员制备出具有NV色心的高品质纳米金刚石，与商用的纳米金刚石相比，其表现出卓越的自旋特性和荧光。
量子传感（Quantum Sensing）是一个近期快速发展的科技领域，其利用粒子的量子态（例如叠加、纠缠和自旋态）来检测物理、化学或生物系统的变化。一种很有前途的量子纳米传感器是具有氮-空位（NV）色心的纳米金刚石（nanodiamonds，ND）。
NV色心是通过在金刚石结构中的晶格空位附近用氮取代碳原子而产生的。NV色心保持稳定的自旋状态，当受到光激发时，NV色心会发射光子，并对磁场、电场和温度等外部环境影响敏感。NV色心自旋状态的变化可以通过光学检测磁共振（ODMR）来检测，该技术可测量微波辐射下的荧光变化。
NV色心纳米金刚石具有生物相容性，可以设计为与特定生物分子相互作用，使其成为生物传感的宝贵工具。然而，用于生物成像的纳米金刚石通常表现出比块体型金刚石更低的自旋质量，从而导致测量灵敏度和准确性降低。
据麦姆斯咨询报道，日本冈山大学（Okayama University）的科学家最近在纳米金刚石方面取得了突破，其自旋特性可与块体型金刚石相媲美，并开发出亮度足以进行生物成像的纳米金刚石传感器。这项研究以“Bright Quantum-Grade Fluorescent Nanodiamonds”为题发表在ACS Nano期刊上，由冈山大学研究教授Masazumi Fujiwara领导，并与住友电气公司和日本国立量子科学技术研究所合作。
Masazumi Fujiwara教授表示：“这是首次展示具有极高质量自旋的量子级纳米金刚石，这是该领域期待已久的突破。这种纳米金刚石具有量子生物传感和其它先进应用所追求的特性。”
目前用于生物成像的纳米金刚石传感器面临两个主要限制：（1）高浓度的自旋杂质会破坏NV色心自旋状态；（2）表面自旋噪声会更快地破坏自旋状态。为了克服这些挑战，研究人员专注于生产杂质极少的高质量金刚石。他们培育了富含99.99% ¹²C碳原子的单晶金刚石，引入了可控量的氮（30-60 ppm）以形成约1 ppm的NV色心，然后再将金刚石压碎成纳米金刚石并悬浮在水中。
所得纳米金刚石的平均尺寸为277纳米，含有0.6-1.3 ppm的带负电的NV色心。它们显示出强烈的荧光，光子计数率达到1500 kHz，使其适合生物成像和量子传感等应用。与市售的较大纳米金刚石相比，本项研究制备的纳米金刚石还表现出增强的自旋特性，其需要的微波功率降低，峰值分裂减少，并显示出明显更长的自旋弛豫时间 (T₁ = 0.68毫秒，T₂ = 3.2微秒)。这些改进表明本项研究制备的纳米金刚石具有稳定的量子态，可以用低微波辐射准确检测和测量外部环境变化，从而最大限度地降低微波诱导细胞毒性的风险。
为了评估其生物传感的潜力，研究人员将制备的纳米金刚石引入HeLa细胞，并使用光学检测磁共振（ODMR）实验测量自旋特性。尽管受到布朗运动（细胞内随机的纳米金刚石运动）的影响，但纳米金刚石产生的荧光足够亮，清晰可见，并产生窄而可靠的光谱。此外，该纳米金刚石能够检测到微小的温度变化。在300 K和308 K左右的温度下，该纳米金刚石表现出不同的振荡频率，温度灵敏度为0.28 K/√Hz。
凭借这些先进的传感能力，该纳米金刚石传感器具有多种应用潜力，从“用于早期疾病诊断的细胞生物传感”到“监测电池健康状况”，以及“增强节能电子设备的热管理和性能”。Masazumi Fujiwara教授说到：“纳米金刚石的进步有可能改变医疗保健、技术和环境管理，提高人类生活质量并为未来的挑战提供可持续的解决方案。”
