利用奈米金剛石製成的量子感測器，能夠高靈敏度地捕捉血液中的微量物質，若能實用化，有望在疾病的超早期診斷等諸多領域帶來創新。然而，現有製備方法是先把原料金剛石顆粒粉碎到奈米尺寸，再賦予感測功能，因此每顆顆粒本身的應變和損傷會造成測量誤差，這是長期以來未解的課題。QST（國立研究開發法人量子科學技術研究開發機構）聯合千葉大學、東京科學大學、京都大學和Type-I Technologies公司（源自QST的新創企業），開發出了一項可在奈米金剛石量子感測器的製造過程中，將顆粒間的個體差異縮小到原來的約四分之一，並使ODMR量子信號強度提高55%的革新性製備技術。該技術能確保不受批次影響的高再現性與高可靠性，同時為未來量產開闢了道路，進而使癌症等疾病的超早期診斷的社會應用向前邁進了一大步。相關研究成果已發表於期刊《ACS Nanoscience Au》。
50～100奈米的奈米量子感測器能夠測量影響電子自旋的溫度、電場、磁場、自由基、pH、離子種類、黏度、蛋白質結構及生物標誌物分子，即便在細胞內的微環境中也能獲取資訊。
金剛石不同晶面的氧化難易程度存在差異。研究團隊著眼於這一性質，推測只要精密調控氧化條件，就能優先去除容易受晶格紊亂和表面官能基影響的部分，留下適合量子感測器的高結晶性部分。
為此，研究團隊沒有採用類似以往先將金剛石粉碎成細小顆粒的做法，而是開發出一種先在相對較大、結晶性良好的金剛石顆粒中製備出承擔感測功能的NV中心，隨後在空氣中一邊溫和加熱其表面，一邊逐步打磨至奈米尺寸的新型製備方法。
透過這種方法，可以在減少機械粉碎所致損傷與應變影響的同時，只取出10%的高結晶性核心部分，並將其加工到適用於細胞測量和分子檢測的奈米尺寸。從結果來看，各顆粒中作為溫度讀數基準的D值，彼此間的離散度降到傳統顆粒的約四分之一。即便使用大量奈米金剛石，每顆顆粒的量子響應差異也會縮小，有助於提高體液診斷等場景中測量的再現性與可靠性。
作為靈敏度指標之一的量子感測器信號強度（ODMR信號強度）同樣提升了55%。也就是說，該方法不僅提升了感測器的均一性，也成功讓每顆顆粒本身的量子信號更強。奈米金剛石量子診斷本已具備極高靈敏度，這一突破為更可靠地讀取微弱的疾病相關信號打下了基礎。
為驗證這一方法在真實生物環境下的性能，研究團隊在HeLa細胞內進行溫度測量，結果得到了比傳統顆粒更清晰的信號，細胞間溫度讀數的不確定度經溫度換算後降至約0.7℃。這表明，透過在材料階段抑制奈米金剛石的個體差異，即使細胞內部環境複雜，也能實現穩定的量子測量。
今後，隨著細胞溫度與病理狀態的關係得以闡明，有望發展出一種憑藉溫度以高可靠性捕捉細胞狀態差異的新型檢測技術。
QST量子生命科學研究所的五十嵐龍治團隊負責人介紹道：「金剛石量子感測器的性能會隨晶面不同而變化。當端基是H或CHO時，量子態會變得不穩定。於是我想，如果把這些端基燒掉，換成能讓量子態穩定的C或CO，是不是就能提高靈敏度？這就是研究的契機。燃燒時間約為6小時，所以算上全部工序，只要一周左右就能大量製備金剛石奈米量子感測器。目前我們正在和東京科學大學的老師們推進相關研究，希望在2030年前後能用患者的血液進行測試。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：ACS Nanoscience Au
論文：Spin-Uniform Nanodiamond Quantum Sensors for Reproducible Intracellular Thermometry
DOI：doi.org/10.1021/acsnanoscienceau.6c00068
