क्वांटम सेंसिंग एक तेजी से विकसित होने वाला क्षेत्र है जो भौतिक, रासायनिक या जैविक प्रणालियों में परिवर्तनों का पता लगाने के लिए कणों की क्वांटम अवस्थाओं, जैसे सुपरपोजिशन, उलझाव और स्पिन अवस्थाओं का उपयोग करता है। क्वांटम नैनोसेंसर का एक आशाजनक प्रकार नाइट्रोजन-रिक्ति (एनवी) केंद्रों से सुसज्जित नैनोडायमंड्स (एनडी) है। ये केंद्र हीरे की संरचना में एक जाली रिक्त स्थान के पास कार्बन परमाणु को नाइट्रोजन से प्रतिस्थापित करके बनाए जाते हैं। प्रकाश से उत्तेजित होने पर, एनवी केंद्र फोटॉन उत्सर्जित करते हैं जो स्थिर स्पिन जानकारी बनाए रखते हैं और चुंबकीय क्षेत्र, विद्युत क्षेत्र और तापमान जैसे बाहरी प्रभावों के प्रति संवेदनशील होते हैं।
इन स्पिन अवस्थाओं में परिवर्तनों का पता ऑप्टिकली डिटेक्टेड मैग्नेटिक रेजोनेंस (ओडीएमआर) का उपयोग करके लगाया जा सकता है, जो माइक्रोवेव विकिरण के तहत प्रतिदीप्ति परिवर्तनों को मापता है। एनवी केंद्रों के साथ एनडी जैव-संगत हैं और उन्हें विशिष्ट जैविक अणुओं के साथ बातचीत करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है, जिससे वे जैविक संवेदन के लिए मूल्यवान उपकरण बन जाते हैं। हालाँकि, बायोइमेजिंग के लिए उपयोग किए जाने वाले एनडी आम तौर पर थोक हीरे की तुलना में कम स्पिन गुणवत्ता प्रदर्शित करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप माप में संवेदनशीलता और सटीकता कम हो जाती है।
एक हालिया सफलता में, जापान में ओकायामा विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने बायोइमेजिंग के लिए पर्याप्त उज्ज्वल नैनोडायमंड सेंसर विकसित किया है, जिसमें स्पिन गुण थोक हीरे के बराबर हैं। 16 दिसंबर 2024 को एसीएस नैनो में प्रकाशित अध्ययन का नेतृत्व ओकायामा विश्वविद्यालय के अनुसंधान प्रोफेसर मासाज़ुमी फुजिवारा ने सुमितोमो इलेक्ट्रिक कंपनी और नेशनल इंस्टीट्यूट फॉर क्वांटम साइंस एंड टेक्नोलॉजी के सहयोग से किया था।
प्रोफेसर फुजिवारा कहते हैं, “यह असाधारण उच्च गुणवत्ता वाले स्पिन के साथ क्वांटम-ग्रेड एनडी का पहला प्रदर्शन है, जो इस क्षेत्र में एक लंबे समय से प्रतीक्षित सफलता है। इन एनडी में ऐसे गुण हैं जिनकी क्वांटम बायोसेंसिंग और अन्य उन्नत अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक मांग की गई है।” .
बायोइमेजिंग के लिए वर्तमान एनडी सेंसर दो मुख्य सीमाओं का सामना करते हैं: स्पिन अशुद्धियों की उच्च सांद्रता, जो एनवी स्पिन राज्यों को बाधित करती है, और सतह स्पिन शोर, जो स्पिन राज्यों को अधिक तेज़ी से अस्थिर करती है। इन चुनौतियों से पार पाने के लिए, शोधकर्ताओं ने बहुत कम अशुद्धियों के साथ उच्च गुणवत्ता वाले हीरे के उत्पादन पर ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने 99.99% से समृद्ध एकल-क्रिस्टल हीरे उगाए 12सी कार्बन परमाणुओं और फिर प्रति मिलियन लगभग 1 भाग के साथ एक एनवी केंद्र बनाने के लिए नाइट्रोजन की नियंत्रित मात्रा (30-60 भाग प्रति मिलियन) पेश की गई। हीरों को एनडी में कुचल दिया गया और पानी में लटका दिया गया।
परिणामी एनडी का औसत आकार 277 नैनोमीटर था और इसमें नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए एनवी केंद्रों में प्रति मिलियन 0.6-1.3 भाग शामिल थे। उन्होंने मजबूत प्रतिदीप्ति प्रदर्शित की, जिससे 1500 किलोहर्ट्ज़ की फोटॉन गणना दर प्राप्त हुई, जिससे वे बायोइमेजिंग अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हो गए। इन एनडी ने व्यावसायिक रूप से उपलब्ध बड़े एनडी की तुलना में उन्नत स्पिन गुण भी दिखाए। उन्हें 3% ODMR कंट्रास्ट प्राप्त करने के लिए 10-20 गुना कम माइक्रोवेव पावर की आवश्यकता थी, उन्होंने पीक स्प्लिटिंग को कम कर दिया था, और काफी लंबे स्पिन विश्राम समय का प्रदर्शन किया था (T1 = 0.68 एमएस, टी2 = 3.2 μs), जो टाइप-आईबी एनडी की तुलना में 6 से 11 गुना अधिक लंबे थे। इन सुधारों से संकेत मिलता है कि एनडी में स्थिर क्वांटम अवस्थाएं होती हैं, जिन्हें कम माइक्रोवेव विकिरण के साथ सटीक रूप से पता लगाया और मापा जा सकता है, जिससे कोशिकाओं में माइक्रोवेव-प्रेरित विषाक्तता का खतरा कम हो जाता है।
जैविक संवेदन के लिए उनकी क्षमता का मूल्यांकन करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एनडी को हेला कोशिकाओं में पेश किया और ओडीएमआर प्रयोगों का उपयोग करके स्पिन गुणों को मापा। एनडी स्पष्ट दृश्यता के लिए पर्याप्त उज्ज्वल थे और ब्राउनियन गति (कोशिकाओं के भीतर यादृच्छिक एनडी आंदोलन) से कुछ प्रभाव के बावजूद संकीर्ण, विश्वसनीय स्पेक्ट्रा का उत्पादन करते थे। इसके अलावा, एनडी छोटे तापमान परिवर्तन का पता लगाने में सक्षम थे। 300 K और 308 K के आसपास के तापमान पर, NDs ने अलग-अलग दोलन आवृत्तियों का प्रदर्शन किया, जो 0.28 K/√Hz की तापमान संवेदनशीलता प्रदर्शित करता है, जो नंगे प्रकार-Ib NDs से बेहतर है।
इन उन्नत सेंसिंग क्षमताओं के साथ, सेंसर में विभिन्न अनुप्रयोगों की क्षमता है, जिसमें प्रारंभिक बीमारी का पता लगाने के लिए कोशिकाओं की जैविक सेंसिंग से लेकर बैटरी स्वास्थ्य की निगरानी और ऊर्जा-कुशल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए थर्मल प्रबंधन और प्रदर्शन को बढ़ाना शामिल है। प्रोफेसर फुजिवारा कहते हैं, “इन प्रगतियों में स्वास्थ्य देखभाल, प्रौद्योगिकी और पर्यावरण प्रबंधन को बदलने, जीवन की गुणवत्ता में सुधार करने और भविष्य की चुनौतियों के लिए स्थायी समाधान प्रदान करने की क्षमता है।”
