近日，美國加州大學伯克利分校、勞倫斯伯克利國家實驗室和Adamas Nanotechnologies公司等機構的研究人員將量子傳感與液滴微流控技術相結合，開發出了一種高靈敏的化學檢測系統，僅需最小的樣品量就能實現精確測量。

與“單晶金剛石”傳感器相比，該化學檢測系統采用含有氮空位（NV）色心的“納米金剛石”封裝在微小液滴中，可提高測量穩定性、降低噪聲和成本。該系統對順磁離子的檢測限低至100納摩爾，有望應用于便攜式診斷、單細胞分析以及環境監測等領域。

相關研究成果已經以“High-precision chemical quantum sensing in flowing monodisperse microdroplets”為題發表在《科學進展》（Science Advances）上。該研究介紹了一種精度極高的化學檢測平臺，利用由納米金剛石制成的量子傳感器來檢測化學物質。這些含有NV色心的納米金剛石被封裝在微型液滴之中，使研究人員能夠克服傳統化學傳感中的關鍵挑戰。這種新穎的方法可以降低噪聲，實現長時間的穩定性，并且僅需很少的樣品量。

工作原理

該化學檢測系統將納米金剛石載入皮升大小（比標準水滴小約十億倍）的液滴中。這些液滴流經一個微流控芯片，并在此受到綠色激光照射和微波場的作用。納米金剛石中的NV色心會發出紅色熒光，這種熒光會根據順磁離子等化學物質的存在而變化。這種光學信號可以通過一種名為光探測磁共振（ODMR）的技術進行檢測和分析。

微流控芯片示意圖

液滴運動可以抵消納米金剛石尺寸、取向或其它不一致引起的波動，從而提高了測量精度。研究人員還采用了一種雙重調制技術，利用微波和液滴流動，將量子傳感信號從背景噪聲中分離出來，進一步提高了靈敏度。

影響和應用

研究人員表示，他們的創新成果為便攜、精確且低成本的下一代化學傳感器鋪平了道路，其潛在應用包括：

診斷：用于血液和其它體液中痕量化學物質或生物標記物的無放大檢測。

生物工程：實時監控生物反應器中的細胞代謝或化學反應。

環境監測：用于現場檢測水和空氣污染物的裝置。

單細胞分析：研究單個細胞化學構成的工具，可深入了解新陳代謝、疾病和藥物反應。

將該化學檢測平臺與流式細胞儀等現有技術相結合，可以大大擴展其應用范圍。研究人員設想了一種“量子增強型”流式細胞儀，可將細胞分析與精確化學傳感相結合。

這項研究展示了量子傳感技術如何與現有工具相結合，進而提供實用的解決方案。通過解決傳統化學傳感器的局限性，該方法為高精度、高成本效益且可擴展的化學檢測系統奠定了基礎。