量子科学、細胞生物学、および高解像度テレビ技術は、新しいバイオセンサーの開発に集まっています。
生細胞内で過敏な量子センサーを使用すると、細胞の成長を追跡し、非常に初期の段階で癌を含む疾患を診断するための有望な方法を提供します。
最も高度で強力な量子センサーのいくつかは、小さなダイヤモンドから作ることができます。ただし、これは大きな課題です。ダイヤモンドをセルに挿入し、適切に機能させることは非常に困難です。
「分子レベルで本当に調査する必要があるあらゆる種類のプロセス、非常に大きなものを使用することはできません。セルの中に入らなければなりません。そのためには、ナノ粒子が必要です」と言いました。シカゴ大学Pritzker School of Molecular Engineering PhD候補URI ZVI。 「人々は以前にダイヤモンドナノクリスタルをバイオセンサーとして使用してきましたが、彼らは私たちが予想するよりも悪いパフォーマンスを発見しました。
ZVIは、国立科学アカデミーの議事録これはこの課題に対処します。 Uchicago PMEとTheの研究者と協力していますアイオワ大学、ZVI細胞生物学からの知識を組み合わせた、量子コンピューティング、 伝統的半導体、および画期的な量子バイオセンサーを開発するための高解像度テレビテクノロジー。その過程で、チームは量子材料の研究における長年の疑問の解決を支援しました。
QLEDテレビディスプレイに触発された方法である特別に設計されたシェルでダイヤモンドナノ粒子をコーティングすることにより、研究者は生細胞内での使用に適した量子バイオセンサーを作成しました。また、このアプローチは、材料の表面を変更することで量子の挙動をどのように改善できるかについての新しい理解を明らかにしました。
「それはすでに地球上で最も敏感なものの1つであり、今では多くの異なる環境でそれをさらに強化する方法を見つけました」と、ZVIの主任捜査官であるUchicago PME教授Aaron Esser-Kahnは、論文の共著者であると述べました。
ダイヤモンドでいっぱいのセル
ダイヤモンドナノ結晶に埋め込まれたキュービットは、粒子が生きている細胞に吸収されるほど小さくても量子コヒーレンスを維持できます。有用な比較は、細胞を嚥下して処理することで、それらを拒否せずに処理します。ただし、ダイヤモンド粒子が小さくなると、量子信号の強度が低下します。
「これらの量子センサーを生細胞に持ち込んで、原則としてセンサーとして役立つことをしばらく励ましました」とUchicago PME Asst氏は述べています。紙の共著者であるピーター・マウラー教授。 「しかし、大きなバルクダイヤモンド内のこれらの種類の量子センサーは非常に優れた量子特性を持っていますが、それらがナノダイヤモンドにいるとき、コヒーレントな特性、量子特性は実際に大幅に減少します。」
ここで、ZVIはインスピレーションのありそうもない情報源であるQuantum Dot LEDテレビに目を向けました。 QLED TVSは、鮮やかな蛍光量子ドットを使用して、豊かなフル色でブロードキャストします。初期の時代には、色は明るいが不安定で、突然瞬きする傾向がありました。
「研究者たちは、慎重に設計されたシェルを備えた量子ドットを囲むことは、有害な表面効果を抑制し、放出を増加させることを発見しました」とZVIは言いました。 「そして今日、あなたはあなたのテレビの一部として以前に不安定な量子ドットを使用することができます。」
Uchicago PMEおよび化学部門のQuantum Dot専門家と協力して、論文の共著者であるDmitri Talapin教授は、両方の問題のセット（量子ドットの蛍光とナノディヤモンドが表面状態で導入し、同様のアプローチが機能する可能性があると推論しました。
しかし、センサーは生体内に行くことを目的としているため、すべてのシェルが機能するわけではありません。免疫エンジニアリングの専門家であるEsser-Kahnは、量子特性を強化し、何かがおかしくなる免疫系を排除しないでください。
「これらの材料のほとんどの表面特性は、免疫細胞がそれがそこにあるはずではないことを知ることができるように粘着性があり、無秩序です。それらは免疫細胞の異物のように見えます」とエッセル・カーンは言いました。 「シロキサンコーティングされたものは、大きくて滑らかな水の塊のように見えます。したがって、体は包み込み、そのような粒子を噛むのがはるかに幸せです。」
表面工学を通じてダイヤモンドナノ結晶の量子特性を改善するための以前の取り組みは、限られた成功を示していました。その結果、チームは控えめな利益のみを期待していました。代わりに、彼らは見ました4倍スピンコヒーレンスの改善。
その増加は、蛍光の1.8倍の増加と、充電の安定性の大幅な増加を分離するだけでなく、困惑と魅惑的な謎でした。
どんどん良くなっています
「私は夜寝ようとしますが、そこで何が起こっているのかを考え続けてください。スピンの一貫性は良くなっています - しかし、なぜ？"アイオワ大学アススト大学。デニス・カンジド教授、新しい論文の副著者。 「私たちがこの実験をしたらどうなると思いますか？この計算を行うとどうなりますか？」それは非常にエキサイティングであり、最終的には、一貫性の改善の根本的な理由を見つけました。」
学際的なチーム（バイオエンジニアに転向した四分の一科学者ZVI、免疫エンジニアのエッセルカーン、量子エンジニアのマウラーとタラピン）は、カンジダとアイオワ大学の物理学および天文学教授のマイケル・フラッテ教授が、研究のための理論的枠組みの一部を提供しました。
「これについて本当にエキサイティングだと思ったのは、半導体電子技術にとって重要な古いアイデアがこれらの新しい量子システムにとって本当に重要であることが判明したことです」とフラッテは言いました。
彼らは、シリカシェルを追加するだけではダイヤモンドの表面を保護しないことを発見しました。内部の量子挙動を根本的に変更しました。材料インターフェースは、ダイヤモンドからシェルへの電子移動を駆動していました。量子コヒーレンスを通常減少させる原子と分子から電子を枯渇させると、生細胞から信号を読むためのより敏感で安定した方法が得られました。
これにより、チームは一貫性を低下させ、量子デバイスを効果的にする特定の表面サイトを特定することができ、量子センシングフィールドに長年の謎を解き、エンジニアリングイノベーションと基本的な研究の両方の新しいドアを開くことができました。
「最終的な影響は、より良いセンサーであるだけでなく、量子ナノ材料のエンジニアリングコヒーレンスと電荷安定性のための新しい定量的フレームワークです」とZVIは言いました。
参照：「コアシェルダイヤモンドナノクリスタルのエンジニアリングスピンコヒーレンス」、ウリZVI、デニスR.カンジダ、アダムM.ワイス、エイダンR.ジョーンズ、リンジーチェン、イリナゴロビナ、シャイアウエイユー、ステラワン、ドミトリV.タラピン、マイケルE.国立科学アカデミーの議事録。
doi：10.1073/pnas.2422542122
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