Imagine un sensor tan sensible que puede detectar cambios en la concentración de protones de una sola proteína, dentro de una sola célula. Este nivel de conocimiento revelaría una dinámica esquiva a escala cuántica de la función de esa proteína, potencialmente incluso en tiempo real, pero exige unsensor con características controlables a una escala similar.
Gracias a una nueva técnica de fabricación, las habilidades de detección cuántica ahora se están acercando a esta escala de precisión. Según informan esta semana letras de física aplicada , de AIP Publishing, los investigadores en Japón han formado de manera reproducible un conjunto alineado de sensores cuánticos llamados centros de vacantes de nitrógeno NV, a solo nanómetros de la superficie de su sustrato.
Verificado por mediciones de resonancia magnética nuclear RMN a nanoescala, estos resultados marcan un camino claro hacia el diseño de nivel atómico de sensores cuánticos con áreas de superficie más grandes de lo que se puede lograr normalmente. Esta es la primera demostración de esta medición de RMN a nanoescala con alineación perfectaNV de densidad se centra cerca de la superficie, marcando un gran avance para la investigación de magnetometría cuántica.
"La forma de combinar los recuentos altos y el alto contraste es tener la alineación, porque cuando tienes la alineación básicamente tienes el beneficio de los NV únicos combinados con los recuentos altos obtenidos de los centros conjuntos de NV", dijo Hitoshi Ishiwatadel Instituto de Tecnología de Tokio y autor principal del artículo. "Entonces, eso es lo que básicamente hicimos, muy cerca de la superficie, dentro de 10 nanómetros, y lo demostramos también con una medición SIMS [espectrometría de masas de iones secundarios]como medir nano NMR, que le muestra la aproximación de la distancia de NV desde la superficie ".
Los centros NV, que ya son una herramienta popular en el mundo de la detección cuántica, son tipos específicos de impurezas en la estructura cristalina del diamante. Para una sola unidad de la configuración de diamante que de otra forma sería puramente de carbono, el centro NV consiste en un átomo de nitrógeno adyacente a unátomo faltante vacante en la red cristalina. Este defecto puede ocurrir en una de las cuatro ubicaciones posibles en la unidad de cristal, y cada una proporciona una señal de fotón único cuya firma espectral depende del espín nuclear.
La nueva técnica utiliza una combinación de deposición química de vapor CVD y pulido direccional para controlar cómo se forman los NV en la red. Para su sustrato de diamante, que tiene una superficie comúnmente alineada, donde la red está orientada a lo largo del mismo plano crioestolográficollamado 111 en este caso, Ishiwata y sus colegas lograron conjuntos de NV, todos con la misma orientación. Para un sustrato que mide aproximadamente 10 micras de ancho, un poco menos que el ancho de un cabello humano, su método puede producir alrededor de 10,000 centros.dentro de 10 nanómetros desde la superficie.
NV en las mismas ubicaciones respectivas de sus unidades de cristal y tan cerca de la superficie, el grupo podría llevar a cabo una detección de nanoescala de RMN del flúor en el aceite que hace contacto con el sustrato. La fiabilidad de su método de fabricación tiene literalmente aplicaciones de gran alcancepara mediciones de campo amplio, asegurando la detección de alto contraste en áreas de muestra relativamente grandes.
"El otro beneficio de los centros NV de alta densidad con alineación es realizar imágenes de campo amplio con alta sensibilidad", dijo Ishiwata. "Antes era imposible tener una alta sensibilidad para las imágenes de campo amplio debido a la dificultad de obtener la alineación de los centros NVcon alta densidad. Con nuestra técnica, ahora es posible obtener imágenes de campo amplio de alto contraste con una alta relación señal / ruido, lo que conduce a imágenes de campo amplio de alta sensibilidad ".
A medida que el grupo continúa buscando formas de mejorar aún más el método, también buscan explorar las aplicaciones de estos conjuntos en la detección resuelta en el tiempo, utilizando láseres pulsados para proporcionar información de protones en tiempo real de muestras dinámicas. Ishiwata mismo estaba particularmente emocionadosobre las posibilidades para comprender las células biológicas como nunca antes.
"Una aplicación futura de este material es la observación de membranas celulares individuales porque nuestro material es adecuado para observar RMN a nanoescala en la escala de volumen de 17 nanómetros cúbicos, que es comparable al grosor de las membranas celulares ~ 5 nanómetros"Ishiwata dijo: "Entonces podríamos utilizar este material y la técnica de medición para explorar localmente la actividad a nanoescala de proteínas que existen en la membrana celular con alta sensibilidad".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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