Mettre des capteurs quantiques hypersensibles dans une cellule vivante est un chemin prometteur pour suivre la croissance des cellules et diagnostiquer les maladies – même les cancers – à leurs premiers stades.
Beaucoup des meilleurs capteurs quantiques les plus puissants peuvent être créés dans de petits morceaux de diamant, mais cela conduit à un problème séparé: il est difficile de coller un diamant dans une cellule et de le faire fonctionner.
« Toutes sortes de ces processus dont vous avez vraiment besoin pour sonder au niveau moléculaire, vous ne pouvez pas utiliser quelque chose de très grand. Vous devez entrer à l'intérieur de la cellule. Pour cela, nous avons besoin de nanoparticules », a déclaré le Ph.D. candidat uri zvi. « Les gens ont utilisé des nanocristaux de diamant comme biocapteurs auparavant, mais ils ont découvert qu'ils fonctionnaient pire que ce à quoi nous nous attendons. Il est bien pire. »
ZVI est le premier auteur d'un article publié dans Actes de l'Académie nationale des sciences Cela aborde ce problème. Avec des chercheurs d'UCHICAGO PME et de l'Université de l'Iowa, ZVI United Insights de la biologie cellulaire, de l'informatique quantique, des semi-conducteurs à l'ancienne et des téléviseurs à haute définition pour créer à la fois un nouveau bioc d'unsenseur quantique révolutionnaire. Ce faisant, ils ont fait la lumière sur un mystère de longue date dans les matériaux quantiques.
En enfermant une nanoparticule de diamant avec une coquille spécialement conçue – une technique inspirée des téléviseurs QLED – l'équipe a créé non seulement un biocapteur quantique idéal pour une cellule vivante, mais également découvert de nouvelles perspectives sur la façon dont la surface d'un matériau peut être modifiée pour améliorer ses propriétés quantiques.
« C'est déjà l'une des choses les plus sensibles de la Terre, et maintenant ils ont trouvé un moyen d'améliorer cela plus en détail dans un certain nombre d'environnements différents », a déclaré l'investigateur principal de ZVI, UCHICAGO PME, le professeur Aaron Esser-Kahn, co-auteur de l'article.
Une cellule pleine de diamants
Les qubits hébergés dans des nanocristaux de diamant maintiennent la cohérence quantique même lorsque les particules sont suffisamment petites pour être « repris » par une cellule vivante – une bonne métaphore est la cellule qui avale et les mâchant sans les cracher. Mais plus les particules de diamant sont petites, plus le signal quantique est faible.
« Il a excité des gens pendant un certain temps que ces capteurs quantiques peuvent être amenés dans les cellules vivantes et, en principe, être utiles en tant que capteur », a déclaré Uchicago PME Asst. Prof. Peter Maurer, co-auteur du journal. « Cependant, bien que ce type de capteurs quantiques à l'intérieur d'un gros morceau de diamant en vrac ait de très bonnes propriétés quantiques, lorsqu'elles sont en nano diamants, les propriétés cohérentes, les propriétés quantiques, sont en fait considérablement réduites. »
Ici, Zvi s'est tourné vers une source improbable d'inspiration – le point de diantum a dirigé des téléviseurs. Les téléviseurs QLED utilisent des points quantiques fluorescents vibrants pour diffuser en riches couleurs complets. Au début, les couleurs étaient vives mais instables, sujettes à clignoter soudainement.
« Les chercheurs ont découvert que l'entourage des points quantiques avec des coquilles soigneusement conçues supprime les effets de surface préjudiciables et augmente leurs émissions », a déclaré Zvi. « Et aujourd'hui, vous pouvez utiliser un point quantique auparavant instable dans le cadre de votre téléviseur. »
En collaboration avec UCHICAGO PME et le département de la chimie experte quantique, le professeur Dmitri Talapin, co-auteur de l'article, ZVI a estimé que, puisque les deux ensembles de problèmes – la fluorescence des points quantiques et le signal affaibli en nanodiamond – originaire de l'état de surface, une approche similaire pourrait fonctionner.
Mais comme le capteur est censé aller dans un corps vivant, toutes les coquilles ne fonctionneraient pas. Un expert en immuno-ingénierie, Esser-Kahn, a aidé à développer une coquille de silicium-oxygène (siloxane) qui améliorerait à la fois les propriétés quantiques et ne bastra pas le système immunitaire que quelque chose est de travers.
« Les propriétés de surface de la plupart de ces matériaux sont collantes et désordonnées d'une manière que les cellules immunitaires peuvent dire qu'elle n'est pas censée être là. Ils ressemblent à un objet étranger à une cellule immunitaire », a déclaré Esser-Kahn. « Les choses enduites de siloxane ressemblent à une grande goutte d'eau lisse. Et donc le corps est beaucoup plus heureux de s'engager puis de mâcher une particule comme ça. »
Les efforts antérieurs pour améliorer les propriétés quantiques des nanocristaux de diamant par l'ingénierie de surface ont fait un succès limité. En conséquence, l'équipe ne s'attendait que des gains modestes. Au lieu de cela, ils ont vu jusqu'à quadruple Améliorations de la cohérence du spin.
Cette augmentation – ainsi qu'une augmentation de 1,8 fois de la fluorescence et des augmentations significatives distinctes pour charger la stabilité – était une énigme déroutante et passionnante.
De mieux en mieux
«J'essaierais d'aller me coucher la nuit mais de rester debout en pensant« que se passe-t-il là-bas? La cohérence du spin s'améliore –Mais pourquoi? « dit l'Université de l'Iowa Asst. Le professeur Denis Candido, deuxième auteur du nouveau journal. « Je pense » Et si nous faisons cette expérience? Et si nous faisons ce calcul? » C'était très, très excitant, et en fin de compte, nous avons trouvé la raison sous-jacente de l'amélioration de la cohérence. «
L'équipe interdisciplinaire – Bioengineer devenue-quant-scientifique-scientifique ZVI, l'immunoengineer Essers-Kahn et les ingénieurs quantum Maurer et Talapin – ont apporté Candido et l'Université de l'Iowa Physique et le professeur d'astronomie Michael Flatté pour fournir une partie du cadre théorique de la recherche.
« Ce que j'ai trouvé vraiment excitant à ce sujet, c'est que certaines vieilles idées qui étaient essentielles pour la technologie électronique semi-conducteurs se sont avérées vraiment importantes pour ces nouveaux systèmes quantiques », a déclaré Flatté.
Ils ont constaté que l'ajout de la coquille de silice ne protégeait pas seulement la surface du diamant. Il a fondamentalement modifié le comportement quantique à l'intérieur. L'interface de matériau conduisait le transfert d'électrons du diamant dans la coque. L'épuisement des électrons des atomes et des molécules qui réduisent normalement la cohérence quantique ont fait un moyen plus sensible et stable de lire les signaux des cellules vivantes.
Cela a permis à l'équipe d'identifier les sites de surface spécifiques qui dégradent la cohérence et rendent les appareils quantiques moins efficaces – résoudre un mystère de longue date dans le champ de détection quantique et ouvrir de nouvelles portes pour l'innovation en ingénierie et la recherche fondamentale.
« L'impact final n'est pas seulement un meilleur capteur, mais un nouveau cadre quantitatif pour la cohérence de l'ingénierie et la stabilité de charge dans les nanomatériaux quantiques », a déclaré ZVI.
