Att placera hypersensitiva kvantsensorer i en levande cell är en lovande metod för att spåra celltillväxt och diagnostisera sjukdomar – till och med cancer – i ett tidigt skede.
Många av de bästa och mest kraftfulla kvantsensorerna kan skapas i små bitar av diamant, men det leder till ett annat problem: det är svårt att fästa en diamant i en cell och få den att fungera.
”Alla de processer som man verkligen behöver undersöka på molekylär nivå kan man inte göra med något som är väldigt stort. Man måste gå in i cellen. För det behöver vi nanopartiklar”, säger Uri Zvi, doktorand vid Pritzker School of Molecular Engineering vid University of Chicago. ”Man har använt diamantnanokristaller som biosensorer tidigare, men man upptäckte att de fungerar sämre än vad vi hade förväntat oss. Betydligt sämre.”
Zvi är försteförfattare till en artikel publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences som tar upp denna fråga. Tillsammans med forskare från UChicago PME och University of Iowa har Zvi sammanfört insikter från cellbiologi, kvantdatorteknik, gammaldags halvledare och högupplösta TV-apparater för att skapa en revolutionerande ny kvantbiosensor. På så sätt har de kastat ljus över ett långvarigt mysterium inom kvantmaterial.
Genom att kapsla in en diamantnanopartikel i ett specialkonstruerat skal – en teknik inspirerad av QLED-tv-apparater – skapade teamet inte bara en kvantbiosensor som är idealisk för levande celler, utan upptäckte också nya insikter om hur ett materials yta kan modifieras för att förbättra dess kvantegenskaper.
”Det är redan en av de mest känsliga sakerna på jorden, och nu har de hittat ett sätt att förbättra det ytterligare i en rad olika miljöer”, säger Zvis huvudforskare, UChicago PME-professor Aaron Esser-Kahn, en av författarna till artikeln.
En cell full av diamanter
Qubits i diamantnanokristaller bibehåller kvantkoherensen även när partiklarna är så små att de kan ”tas upp” av en levande cell – en bra metafor är att cellen sväljer och tuggar på dem utan att spotta ut dem. Men ju mindre diamantpartiklarna är, desto svagare blir kvantsignalen.
”Det väckte entusiasm under en tid att dessa kvantsensorer kunde införas i levande celler och i princip vara användbara som sensorer”, säger UChicago PME Asst. Prof. Peter Maurer, medförfattare till artikeln. ”Men medan denna typ av kvantsensorer i en stor diamantklump har riktigt bra kvantegenskaper, minskar de koherenta egenskaperna, kvantegenskaperna, avsevärt när de finns i nanodiamanter.”
Här vände sig Zvi till en oväntad källa för inspiration – kvantpunkt-LED-tv-apparater. QLED-tv-apparater använder livfulla fluorescerande kvantpunkter för att sända i rika, fulla färger. I början var färgerna ljusa men instabila och benägna att plötsligt slockna.
”Forskare upptäckte att om man omger kvantpunkterna med noggrant utformade skal undertrycks skadliga yteffekter och deras emission ökar”, säger Zvi. ”Idag kan man använda en tidigare instabil kvantpunkt som en del av sin tv.”
I en ny artikel har forskare vid Pritzker School of Molecular Engineering vid University of Chicago, däribland biträdande professor Peter Maurer (till vänster) och försteförfattaren och doktoranden Uri Zvi (till höger), tillsammans med sina samarbetspartners skapat en revolutionerande ny kvantbiosensor som kastar ljus över en långvarig fråga inom kvantmaterial. Bild: Jason Smith
I samarbete med UChicago PME och kvantpunktsexperten professor Dmitri Talapin från kemiska institutionen, som är medförfattare till artikeln, resonerade Zvi att eftersom båda problemen – kvantpunktens fluorescens och den försvagade signalen från nanodiamanten – hade sitt ursprung i ytans tillstånd, skulle en liknande metod kunna fungera.
Men eftersom sensorn är avsedd att placeras i en levande kropp skulle inte alla skal fungera. Esser-Kahn, som är expert på immunteknik, hjälpte till att utveckla ett silikon-syre-skal (siloxan) som både skulle förbättra kvantegenskaperna och inte varna immunsystemet om att något var fel.
”Ytegenskaperna hos de flesta av dessa material är klibbiga och oordnade på ett sätt som gör att immuncellerna kan avgöra att de inte hör hemma där. De ser ut som främmande föremål för en immuncell”, säger Esser-Kahn. ”Siloxanbelagda föremål ser ut som en stor, slät vattenklump. Därför är kroppen mycket mer benägen att svälja och sedan tugga på en sådan partikel.”
Tidigare försök att förbättra kvantegenskaperna hos diamantnanokristaller genom ytteknik hade visat begränsad framgång. Därför förväntade sig teamet endast blygsamma förbättringar. Istället såg de upp till fyra gånger bättre spinnkoherens.
Denna ökning – tillsammans med en 1,8-faldig ökning av fluorescensen och separata betydande ökningar av laddningsstabiliteten – var en gåta som var både förbryllande och fascinerande.
Bättre och bättre
”Jag försökte gå och lägga mig på kvällen, men låg vaken och funderade: ’Vad är det som händer? Spinnkoherensen blir bättre – men varför?’, säger Denis Candido, biträdande professor vid University of Iowa och andra författare till den nya artikeln. ”Jag tänkte: ’Tänk om vi gör det här experimentet? Tänk om vi gör den här beräkningen?’ Det var väldigt, väldigt spännande, och till slut hittade vi den bakomliggande orsaken till förbättringen av koherensen.”
Det tvärvetenskapliga teamet – bioingenjören som blev kvantforskare Zvi, immuningenjören Esser-Kahn och kvantingenjörerna Maurer och Talapin – tog in Candido och Michael Flatté, professor i fysik och astronomi vid University of Iowa, för att bidra med en del av den teoretiska ramen för forskningen.
”Det jag tyckte var riktigt spännande med detta är att några gamla idéer som var avgörande för halvledarelektroniktekniken visade sig vara riktigt viktiga för dessa nya kvantsystem”, säger Flatté.
De upptäckte att tillsatsen av kiseldioxidskalet inte bara skyddade diamantytan. Det förändrade också kvantbeteendet inuti diamanten i grunden. Materialgränssnittet drev elektronöverföringen från diamanten till skalet. Genom att tömma atomerna och molekylerna på elektroner, som normalt minskar kvantkoherensen, skapades ett mer känsligt och stabilt sätt att avläsa signaler från levande celler.
Detta gjorde det möjligt för teamet att identifiera de specifika ytplatser som försämrar koherensen och gör kvantkomponenter mindre effektiva – vilket löste ett långvarigt mysterium inom kvantavkänningsområdet och öppnade nya dörrar för både teknisk innovation och grundforskning.
”Slutresultatet är inte bara en bättre sensor, utan ett nytt, kvantitativt ramverk för att konstruera koherens och laddningsstabilitet i kvantnanomaterial”, säger Zvi.
Mer information: Uri Zvi et al, Engineering spin coherence in core-shell diamond nanocrystals, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2422542122
