Ученые создали квантовые алмазные датчики для поиска болезней в клетках
Ученые из Чикагского университета и Университета Айовы превратили алмазные наночастицы в мощные квантовые датчики, способные работать внутри живых клеток. Вдохновленные технологией QLED-телевизоров, они разработали кремниевую оболочку, которая защищает наноалмазы, делая их в 1,8 раза эффективнее. Это открытие, опубликованное в журнале PNAS, может революционизировать раннюю диагностику рака, диабета и других болезней.
Что разработали ученые
Алмазные наночастицы с дефектами, называемыми азотно-вакансионными центрами (NV-центрами), действуют как квантовые датчики. NV-центры — это «сбой» в кристаллической решетке алмаза, где вместо углерода находится азот, а рядом — пустое место. Они улавливают изменения магнитных полей, температуры или электрических сигналов — словно микроскопические антенны — и излучают свет, который можно «прочитать» для анализа. Это делает их идеальными для изучения процессов внутри клеток.
Проблема в том, что при уменьшении алмазов до размеров менее 100 нанометров (в 1000 раз тоньше человеческого волоса) NV-центры теряют чувствительность из-за поверхностных дефектов и шума окружающей среды.
NV-центры в алмазах — это природные квантовые биты, работающие при комнатной температуре, в отличие от большинства квантовых систем, требующих охлаждения до –270 °C. Это делает их уникальными для биологии.
«Люди использовали наноалмазы как биосенсоры, но они работали гораздо хуже, чем ожидалось», — говорит Ури Цви, ведущий исследователь и аспирант Чикагского университета.
Команда вдохновилась QLED-экранами, где квантовые точки покрывают защитной оболочкой для сохранения яркости. Они создали структуру «ядро-оболочка»: алмаз (ядро) покрыли слоем кремния (оболочкой), химически стабильным и безопасным для клеток.
Кремний защищает NV-центры от внешних помех, как изоляция на проводах предотвращает короткое замыкание. Тщательно настроив толщину оболочки и ен связь с алмазом, ученые увеличили силу сигнала наноалмазов в 1,8 раза. Эти датчики сохраняли стабильность даже внутри живых клеток — что раньше было недостижимо.
Где будут использовать новую технологию
Новое покрытие позволяет наноалмазам улавливать сигналы внутри клеток с точностью до 10 нанометров — что сравнимо с размером белков. Это открывает путь к раннему выявлению болезней, таких как рак или диабет, путем отслеживания изменений температуры, магнитных полей или свободных радикалов в клетках. Например, аномальное тепло в митохондриях может сигнализировать о предраковом состоянии.
«Эта работа — фундаментальный прогресс в наномасштабном квантовом зондировании, важный для точной диагностики и клеточной визуализации. Наша технология выведет медицинскую диагностику и помощь на новый уровень», — отмечают исследователи.
Покрытые наноалмазы также перспективны для изучения биологических процессов, таких как движение ионов или белков, что может улучшить разработку лекарств. Их биосовместимость (они не токсичны для клеток) и устойчивость к фотобличингу (потере яркости) делают их надежнее традиционных флуоресцентных меток, теряющих сигнал за минуты.
Также технология может привести к созданию портативных устройств для диагностики — подобных тем, что используют бумажные тесты для COVID-19, но с чувствительностью в 100 000 раз выше.
«Конечное воздействие — это новая структура для проектирования стабильности в квантовых наноматериалах, но в будущем такие датчики могут отслеживать здоровье клеток в реальном времени или доставлять лекарства точно к больным тканям», — говорит Цви.
Физики создали инновационные 4D-датчики для изучения пространства и времени
Ученые использовали виноград для улучшения квантовых датчиков