Una svolta significativa è stata raggiunta dai ricercatori nei sensori di nanodiamanti con proprietà di spin di grado quantistico, che si presentano come strumenti ideali per il bioimaging e il biosensing. Questi sensori avanzati aprono la strada a applicazioni rivoluzionarie nel campo della medicina e delle tecnologie dell’energia. La rilevazione quantistica, un settore in rapida crescita, sfrutta le proprietà uniche delle particelle a livello quantistico, come sovrapposizione, intrico e stati di spin, per individuare variazioni negli ambienti fisici, chimici o biologici.
Uno degli strumenti più promettenti in questo ambito sono i nanodiamanti (ND) incorporati con centri di azoto-vuoto (NV)
Questi centri NV si formano quando un atomo di carbonio nella struttura del diamante viene sostituito da azoto in prossimità di una lacuna. Quando vengono illuminati, i centri NV emettono fotoni che mantengono informazioni di spin stabili e reagiscono a fattori esterni come campi magnetici, campi elettrici e temperatura. Attraverso l’utilizzo di una tecnica chiamata risonanza magnetica rilevata otticamente (ODMR), gli scienziati sono in grado di misurare le variazioni di fluorescenza nei centri NV sotto l’irradiazione a microonde, rivelando sottili cambiamenti negli stati di spin.
I nanodiamanti con centri NV, biocompatibili e personalizzabili, possono essere progettati per interagire con specifiche molecole biologiche
- Rendendoli strumenti di grande valore per il rilevamento all’interno dei sistemi biologici.
- Tuttavia, rispetto ai diamanti massicci, i nanodiamanti utilizzati nel bioimaging spesso presentano una qualità di spin inferiore, che ne limita la sensibilità e la precisione nel rilevare le variazioni.
In una recente scoperta, gli scienziati dell’Università di Okayama in Giappone hanno sviluppato sensori di nanodiamanti sufficientemente luminosi per il bioimaging, con proprietà di spin paragonabili a quelli dei diamanti massicci
Lo studio, pubblicato il 16 dicembre 2024 su ACS Nano, è stato guidato dal Professore di Ricerca Masazumi Fujiwara dell’Università di Okayama, in collaborazione con la Sumitomo Electric Company e gli Istituti Nazionali per la Scienza e la Tecnologia Quantistiche. Questa è la prima dimostrazione di nanodiamanti di grado quantistico con spin di qualità eccezionalmente alta, una svolta tanto attesa nel settore.
- I sensori di nanodiamanti attualmente impiegati nel bioimaging si confrontano con due principali limitazioni:
- Alte concentrazioni di impurità di spin, che interferiscono con gli stati di spin NV, e rumore di spin superficiale, che destabilizza gli stati di spin più rapidamente.
Per superare queste sfide, i ricercatori si sono concentrati sulla produzione di diamanti di alta qualità con pochissime impurità. Hanno fatto crescere diamanti monocristallini arricchiti con atomi di carbonio 12C al 99,99% e poi hanno introdotto una quantità controllata di azoto (30-60 parti per milione) per creare un centro NV con circa 1 parte per milione. I diamanti sono stati triturati in nanodiamanti e sospesi in acqua.
I nanodiamanti risultanti avevano una dimensione media di 277 nanometri e contenevano da 0,6 a 1,3 parti per milione di centri NV carichi negativamente
Mostravano una forte fluorescenza, raggiungendo un tasso di conteggio dei fotoni di 1500 kHz, rendendoli adatti per applicazioni di bioimaging. Questi nanodiamanti mostravano anche proprietà di spin migliorate rispetto ai nanodiamanti più grandi disponibili commercialmente. Richiedevano da 10 a 20 volte meno potenza a microonde per ottenere un contrasto ODMR del 3%, avevano una riduzione della divisione del picco e dimostravano tempi di rilassamento dello spin significativamente più lunghi (T1 = 0,68 ms, T2 = 3,2 µs), che erano da 6 a 11 volte più lunghi rispetto a quelli dei nanodiamanti di tipo-Ib. Questi miglioramenti indicano che i nanodiamanti possiedono stati quantistici stabili, che possono essere rilevati e misurati con bassa radiazione a microonde, minimizzando il rischio di tossicità indotta dalle microonde nelle cellule.
Per valutare il loro potenziale nel rilevamento biologico, i ricercatori hanno introdotto i nanodiamanti nelle cellule HeLa e hanno misurato le proprietà di spin attraverso esperimenti ODMR
I nanodiamanti erano sufficientemente luminosi per garantire una visibilità chiara e producevano spettri stretti e affidabili nonostante un certo impatto dal moto browniano all’interno delle cellule. Inoltre, i nanodiamanti erano capaci di rilevare piccoli cambiamenti di temperatura. A temperature intorno a 300 K e 308 K, i nanodiamanti mostravano frequenze di oscillazione distinte, dimostrando una sensibilità alla temperatura di 0,28 K/Hz, superiore ai nanodiamanti di tipo-Ib nudi.
Con queste capacità avanzate di rilevamento, il sensore ha il potenziale per diverse applicazioni
- Dal rilevamento biologico delle cellule per la diagnosi precoce delle malattie al monitoraggio della salute delle batterie e al miglioramento della gestione termica e delle prestazioni per dispositivi elettronici efficienti dal punto di vista energetico.
Questi progressi hanno il potenziale per trasformare il settore sanitario, tecnologico e la gestione ambientale, migliorando la qualità della vita e fornendo soluzioni sostenibili per le sfide future, afferma il Prof. Fujiwara.
