一种高灵敏的化学检测系统

近日，美国加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室和Adamas Nanotechnologies公司等机构的研究人员将量子传感与液滴微流控技术相结合，开发出了一种高灵敏的化学检测系统，仅需最小的样品量就能实现精确测量。

与“单晶金刚石”传感器相比，该化学检测系统采用含有氮空位（NV）色心的“纳米金刚石”封装在微小液滴中，可提高测量稳定性、降低噪声和成本。该系统对顺磁离子的检测限低至100纳摩尔，有望应用于便携式诊断、单细胞分析以及环境监测等领域。

相关研究成果已经以“High-precision chemical quantum sensing in flowing monodisperse microdroplets”为题发表在《科学进展》（Science Advances）上。该研究介绍了一种精度极高的化学检测平台，利用由纳米金刚石制成的量子传感器来检测化学物质。这些含有NV色心的纳米金刚石被封装在微型液滴之中，使研究人员能够克服传统化学传感中的关键挑战。这种新颖的方法可以降低噪声，实现长时间的稳定性，并且仅需很少的样品量。

工作原理

该化学检测系统将纳米金刚石载入皮升大小（比标准水滴小约十亿倍）的液滴中。这些液滴流经一个微流控芯片，并在此受到绿色激光照射和微波场的作用。纳米金刚石中的NV色心会发出红色荧光，这种荧光会根据顺磁离子等化学物质的存在而变化。这种光学信号可以通过一种名为光探测磁共振（ODMR）的技术进行检测和分析。

微流控芯片示意图

液滴运动可以抵消纳米金刚石尺寸、取向或其它不一致引起的波动，从而提高了测量精度。研究人员还采用了一种双重调制技术，利用微波和液滴流动，将量子传感信号从背景噪声中分离出来，进一步提高了灵敏度。

影响和应用

研究人员表示，他们的创新成果为便携、精确且低成本的下一代化学传感器铺平了道路，其潜在应用包括：

诊断：用于血液和其它体液中痕量化学物质或生物标记物的无放大检测。

生物工程：实时监控生物反应器中的细胞代谢或化学反应。

环境监测：用于现场检测水和空气污染物的装置。

单细胞分析：研究单个细胞化学构成的工具，可深入了解新陈代谢、疾病和药物反应。

将该化学检测平台与流式细胞仪等现有技术相结合，可以大大扩展其应用范围。研究人员设想了一种“量子增强型”流式细胞仪，可将细胞分析与精确化学传感相结合。

这项研究展示了量子传感技术如何与现有工具相结合，进而提供实用的解决方案。通过解决传统化学传感器的局限性，该方法为高精度、高成本效益且可扩展的化学检测系统奠定了基础。