A detecção quântica é um campo em rápido desenvolvimento que utiliza os estados quânticos das partículas, como superposição, emaranhamento e estados de spin, para detectar mudanças em sistemas físicos, químicos ou biológicos. Um tipo promissor de nanosensor quântico são os nanodiamantes (NDs) equipados com centros de vacância de nitrogênio (NV). Esses centros são criados pela substituição de um átomo de carbono por nitrogênio próximo a uma lacuna na rede em uma estrutura de diamante. Quando excitados pela luz, os centros NV emitem fótons que mantêm informações de spin estáveis e são sensíveis a influências externas como campos magnéticos, campos elétricos e temperatura.
Mudanças nesses estados de spin podem ser detectadas usando ressonância magnética detectada opticamente (ODMR), que mede mudanças de fluorescência sob radiação de microondas. Os NDs com centros NV são biocompatíveis e podem ser projetados para interagir com moléculas biológicas específicas, tornando-os ferramentas valiosas para a detecção biológica. No entanto, os NDs utilizados para bioimagem geralmente apresentam menor qualidade de rotação em comparação com os diamantes a granel, resultando em sensibilidade e precisão reduzidas nas medições.
Numa descoberta recente, cientistas da Universidade de Okayama, no Japão, desenvolveram sensores de nanodiamantes suficientemente brilhantes para bioimagem, com propriedades de rotação comparáveis às dos diamantes a granel. O estudo, publicado na ACS Nano, em 16 de dezembro de 2024, foi liderado pelo professor pesquisador Masazumi Fujiwara da Universidade de Okayama, em colaboração com a Sumitomo Electrical Firm e os Institutos Nacionais de Ciência e Tecnologia Quântica.
“Esta é a primeira demonstração de NDs de grau quântico com spins de qualidade excepcionalmente alta, um avanço há muito esperado no campo. Esses NDs possuem propriedades que têm sido muito procuradas para biossensor quântico e outras aplicações avançadas”, diz o Prof. .
Os sensores ND atuais para bioimagem enfrentam duas limitações principais: altas concentrações de impurezas de spin, que perturbam os estados de spin NV, e ruído de spin superficial, que desestabiliza os estados de spin mais rapidamente. Para superar esses desafios, os pesquisadores se concentraram na produção de diamantes de alta qualidade com pouquíssimas impurezas. Eles cultivaram diamantes monocristalinos enriquecidos com 99,99% 12átomos de carbono C e, em seguida, introduziu uma quantidade controlada de nitrogênio (30-60 partes por milhão) para criar um centro NV com cerca de 1 parte por milhão. Os diamantes foram triturados em NDs e suspensos em água.
Os NDs resultantes tinham um tamanho médio de 277 nanômetros e continham 0,6-1,3 partes por milhão de centros NV carregados negativamente. Eles exibiram forte fluorescência, atingindo uma taxa de contagem de fótons de 1.500 kHz, tornando-os adequados para aplicações de bioimagem. Esses NDs também mostraram propriedades de rotação aprimoradas em comparação com NDs maiores comercialmente disponíveis. Eles necessitaram de 10 a 20 vezes menos potência de micro-ondas para atingir um contraste ODMR de 3%, reduziram a divisão de pico e demonstraram tempos de relaxamento de rotação significativamente mais longos (T1 = 0,68ms,T2 = 3,2 µs), que foram 6 a 11 vezes mais longos que os dos DE tipo Ib. Essas melhorias indicam que os NDs possuem estados quânticos estáveis, que podem ser detectados e medidos com precisão com baixa radiação de micro-ondas, minimizando o risco de toxicidade induzida por micro-ondas nas células.
Para avaliar seu potencial para detecção biológica, os pesquisadores introduziram NDs em células HeLa e mediram as propriedades de spin usando experimentos ODMR. Os NDs eram brilhantes o suficiente para uma visibilidade clara e produziam espectros estreitos e confiáveis, apesar de algum impacto do movimento browniano (movimento aleatório de ND dentro das células). Além disso, os NDs foram capazes de detectar pequenas mudanças de temperatura. Em temperaturas em torno de 300 Ok e 308 Ok, os NDs exibiram frequências de oscilação distintas, demonstrando uma sensibilidade à temperatura de 0,28 Ok/√Hz, superior aos NDs tipo Ib nus.
Com essas capacidades de detecção avançadas, o sensor tem potencial para diversas aplicações, desde a detecção biológica de células para detecção precoce de doenças até o monitoramento da saúde da bateria e melhoria do gerenciamento térmico e do desempenho para dispositivos eletrônicos com eficiência energética. “Esses avanços têm o potencial de transformar os cuidados de saúde, a tecnologia e a gestão ambiental, melhorando a qualidade de vida e fornecendo soluções sustentáveis para desafios futuros”, afirma o Prof.
