近日，美國加州大學(xué)伯克利分校、勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和Adamas Nanotechnologies公司等機(jī)構(gòu)的研究人員將量子傳感與液滴微流控技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出了一種高靈敏的化學(xué)檢測系統(tǒng)，僅需最小的樣品量就能實(shí)現(xiàn)精確測量。

與“單晶金剛石”傳感器相比，該化學(xué)檢測系統(tǒng)采用含有氮空位（NV）色心的“納米金剛石”封裝在微小液滴中，可提高測量穩(wěn)定性、降低噪聲和成本。該系統(tǒng)對順磁離子的檢測限低至100納摩爾，有望應(yīng)用于便攜式診斷、單細(xì)胞分析以及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

相關(guān)研究成果已經(jīng)以“High-precision chemical quantum sensing in flowing monodisperse microdroplets”為題發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。該研究介紹了一種精度極高的化學(xué)檢測平臺，利用由納米金剛石制成的量子傳感器來檢測化學(xué)物質(zhì)。這些含有NV色心的納米金剛石被封裝在微型液滴之中，使研究人員能夠克服傳統(tǒng)化學(xué)傳感中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。這種新穎的方法可以降低噪聲，實(shí)現(xiàn)長時間的穩(wěn)定性，并且僅需很少的樣品量。

工作原理

該化學(xué)檢測系統(tǒng)將納米金剛石載入皮升大?。ū葮?biāo)準(zhǔn)水滴小約十億倍）的液滴中。這些液滴流經(jīng)一個微流控芯片，并在此受到綠色激光照射和微波場的作用。納米金剛石中的NV色心會發(fā)出紅色熒光，這種熒光會根據(jù)順磁離子等化學(xué)物質(zhì)的存在而變化。這種光學(xué)信號可以通過一種名為光探測磁共振（ODMR）的技術(shù)進(jìn)行檢測和分析。

微流控芯片示意圖

液滴運(yùn)動可以抵消納米金剛石尺寸、取向或其它不一致引起的波動，從而提高了測量精度。研究人員還采用了一種雙重調(diào)制技術(shù)，利用微波和液滴流動，將量子傳感信號從背景噪聲中分離出來，進(jìn)一步提高了靈敏度。

影響和應(yīng)用

研究人員表示，他們的創(chuàng)新成果為便攜、精確且低成本的下一代化學(xué)傳感器鋪平了道路，其潛在應(yīng)用包括：

診斷：用于血液和其它體液中痕量化學(xué)物質(zhì)或生物標(biāo)記物的無放大檢測。

生物工程：實(shí)時監(jiān)控生物反應(yīng)器中的細(xì)胞代謝或化學(xué)反應(yīng)。

環(huán)境監(jiān)測：用于現(xiàn)場檢測水和空氣污染物的裝置。

單細(xì)胞分析：研究單個細(xì)胞化學(xué)構(gòu)成的工具，可深入了解新陳代謝、疾病和藥物反應(yīng)。

將該化學(xué)檢測平臺與流式細(xì)胞儀等現(xiàn)有技術(shù)相結(jié)合，可以大大擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。研究人員設(shè)想了一種“量子增強(qiáng)型”流式細(xì)胞儀，可將細(xì)胞分析與精確化學(xué)傳感相結(jié)合。

這項(xiàng)研究展示了量子傳感技術(shù)如何與現(xiàn)有工具相結(jié)合，進(jìn)而提供實(shí)用的解決方案。通過解決傳統(tǒng)化學(xué)傳感器的局限性，該方法為高精度、高成本效益且可擴(kuò)展的化學(xué)檢測系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。