岡山大學的研究人員開發出了量子級納米金剛石，其自旋特性與塊體型金剛石相當，可實現高靈敏度的生物成像和量子傳感應用。

       通過優化金剛石晶體成分和氮-空位（NV）色心的產生，納米金剛石實現了更好的自旋弛豫時間、更低的微波功率要求和增強的熒光，從而實現了精確、低毒性的測量。

       納米金剛石傳感器表現出卓越的溫度靈敏度和生物相容性，可以為早期疾病檢測、電子熱管理和環境監測等應用鋪平道路。

研究人員制備出具有NV色心的高品質納米金剛石，與商用的納米金剛石相比，其表現出卓越的自旋特性和熒光。

       量子傳感（Quantum Sensing）是一個近期快速發展的科技領域，其利用粒子的量子態（例如疊加、糾纏和自旋態）來檢測物理、化學或生物系統的變化。一種很有前途的量子納米傳感器是具有氮-空位（NV）色心的納米金剛石（nanodiamonds，ND）。

       NV色心是通過在金剛石結構中的晶格空位附近用氮取代碳原子而產生的。NV色心保持穩定的自旋狀態，當受到光激發時，NV色心會發射光子，并對磁場、電場和溫度等外部環境影響敏感。NV色心自旋狀態的變化可以通過光學檢測磁共振（ODMR）來檢測，該技術可測量微波輻射下的熒光變化。

       NV色心納米金剛石具有生物相容性，可以設計為與特定生物分子相互作用，使其成為生物傳感的寶貴工具。然而，用于生物成像的納米金剛石通常表現出比塊體型金剛石更低的自旋質量，從而導致測量靈敏度和準確性降低。

       據麥姆斯咨詢報道，日本岡山大學（Okayama University）的科學家最近在納米金剛石方面取得了突破，其自旋特性可與塊體型金剛石相媲美，并開發出亮度足以進行生物成像的納米金剛石傳感器。這項研究以“Bright Quantum-Grade Fluorescent Nanodiamonds”為題發表在ACS Nano期刊上，由岡山大學研究教授Masazumi Fujiwara領導，并與住友電氣公司和日本國立量子科學技術研究所合作。

       Masazumi Fujiwara教授表示：“這是首次展示具有極高質量自旋的量子級納米金剛石，這是該領域期待已久的突破。這種納米金剛石具有量子生物傳感和其它先進應用所追求的特性。”

       目前用于生物成像的納米金剛石傳感器面臨兩個主要限制：（1）高濃度的自旋雜質會破壞NV色心自旋狀態；（2）表面自旋噪聲會更快地破壞自旋狀態。為了克服這些挑戰，研究人員專注于生產雜質極少的高質量金剛石。他們培育了富含99.99% 12C碳原子的單晶金剛石，引入了可控量的氮（30-60 ppm）以形成約1 ppm的NV色心，然后再將金剛石壓碎成納米金剛石并懸浮在水中。

       所得納米金剛石的平均尺寸為277納米，含有0.6-1.3 ppm的帶負電的NV色心。它們顯示出強烈的熒光，光子計數率達到1500 kHz，使其適合生物成像和量子傳感等應用。與市售的較大納米金剛石相比，本項研究制備的納米金剛石還表現出增強的自旋特性，其需要的微波功率降低，峰值分裂減少，并顯示出明顯更長的自旋弛豫時間 (T? = 0.68毫秒，T? = 3.2微秒)。這些改進表明本項研究制備的納米金剛石具有穩定的量子態，可以用低微波輻射準確檢測和測量外部環境變化，從而最大限度地降低微波誘導細胞毒性的風險。

       為了評估其生物傳感的潛力，研究人員將制備的納米金剛石引入HeLa細胞，并使用光學檢測磁共振（ODMR）實驗測量自旋特性。盡管受到布朗運動（細胞內隨機的納米金剛石運動）的影響，但納米金剛石產生的熒光足夠亮，清晰可見，并產生窄而可靠的光譜。此外，該納米金剛石能夠檢測到微小的溫度變化。在300 K和308 K左右的溫度下，該納米金剛石表現出不同的振蕩頻率，溫度靈敏度為0.28 K/√Hz。

       憑借這些先進的傳感能力，該納米金剛石傳感器具有多種應用潛力，從“用于早期疾病診斷的細胞生物傳感”到“監測電池健康狀況”，以及“增強節能電子設備的熱管理和性能”。Masazumi Fujiwara教授說到：“納米金剛石的進步有可能改變醫療保健、技術和環境管理，提高人類生活質量并為未來的挑戰提供可持續的解決方案。”