大家好！今天来了解一种在化学检测领域的方法——《High-precision chemical quantum sensing in flowing monodisperse microdroplets》发表于《SCIENCE ADVANCES》。传统的量子传感在化学分析中面临诸多挑战，如晶体尺寸小、成本高、粒子异质性等问题。而这篇文档介绍了一种创新方法，它将量子传感与液滴微流控相结合，利用纳米金刚石作为量子传感器，在流动的单分散微滴中实现高精度化学检测，为化学分析带来了新的思路和可能性。
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一、研究背景与意义
量子传感在化学过程检测中具有重要潜力，但传统方法面临诸多挑战。例如，基于NV中心的量子传感受晶体尺寸、成本和取向要求的限制，纳米金刚石（ND）传感虽有优势，但也存在粒子异质性和荧光波动等问题。液滴微流控技术的出现为解决这些问题提供了新途径，其产生的皮升级微滴可作为微观限制室，具有精确可控和增强混合等优点。
二、微滴中的ND加载
（一）微流控平台与液滴生成
本研究使用的微流控平台通过特殊的几何结构产生相分离、单分散的液滴。芯片上有两个聚焦结，J1用于产生含ND的水滴，J2可调节液滴间距。液滴大小和形成速率由孔口大小以及水油流速控制，可实现超过4cm/s的速度，且误差小、重复性高。
（二）ND在液滴中的分布与特性
1、不同尺寸NDs的分布
亲水的NDs被完全封装在液滴中。例如，40-nm的NDs在液滴中分布均匀，占液滴体积的0.01%，每个液滴约含106个粒子；100-nm的粒子更亮且分散性好；3-μm的粒子在静止液滴中易沉在底部，但在运动液滴中可对液滴体积进行采样。
2、液滴对细胞和NDs的共封装
研究展示了将酵母细胞和100-nm的NDs共封装在液滴中的实验。通过表面功能化，NDs可靶向酵母细胞，如使用Concanavalin-A对ND表面进行修饰。
三、液滴中的化学传感
（一）ODMR测量与挑战
1、ODMR原理
化学传感利用NV中心电子自旋对环境的敏感性，通过测量ODMR光谱实现。在零磁场下，监测ND的光致发光（PL）随微波频率的变化，在约2.87GHz处有特征峰。
2、测量挑战
单液滴ODMR测量存在背景噪声，包括PDMS的自发荧光，以及布朗运动和粒子重新取向引起的波动。锁相检测虽能提高信噪比，但对比仍受非分析物特定因素影响，不利于低检测限传感。
（二）双锁相量子传感
1、双锁相测量原理
通过液滴流动和微波调制实现双锁相测量。液滴以受控速度进入分析区域，同时受激光照射和微波激发，产生两种调制频率fD和fMW。利用双锁相检测可过滤背景噪声。
2、测量稳定性和灵活性
实验展示了在不同流速下的测量稳定性。例如，在fD = 34Hz时，对40-nm粒子测量，ODMR对比C = 5.6%，测量精度ΔC = 2%，且在长时间和大量液滴测量中保持稳定。同时，通过改变fD可调节测量通量，最高可达每小时分析超过一百万个液滴。
四、流动中顺磁物质的检测
（一）检测原理与模型系统
1、检测原理
基于顺磁物质对NV中心T1弛豫时间的影响来检测分析物，通过ODMR对比变化定量分析物浓度。
2、模型系统实验
以Gd3+离子和TEMPOL为模型系统。例如，在Gd3+浓度滴定实验中，系统可检测500nM到20μM的浓度范围，对100-300nM样品，2min平均可实现100nM的检测限；TEMPOL实验中，1min测量可实现2μM的检测限。
（二）技术优势与应用前景
1、技术优势
该方法所需ND体积小，如1小时分析约需25μl（涉及数十万液滴），且成本低，得益于ND的亲水性无需表面处理。
2、应用前景
可应用于高通量、高灵敏度化学分析，包括无扩增场景、生物工程、单细胞分析、细胞内测量、化学成像和动力学分析等领域，有望推动相关领域发展。
五、一起来做做题吧
1、传统基于 NV 中心的量子传感面临的挑战不包括以下哪项？
A. 晶体尺寸小
B. 成本高
C. 无需精确晶体取向
D. 分析物需流经晶体表面
2、微流控平台中用于产生含 ND 的水滴的是哪个结？
A. J1
B. J2
C. 两者都可以
D. 两者都不是
3、40 - nm 的 NDs 在液滴中大约占液滴体积的多少？
A. 0.1%
B. 0.01%
C. 1%
D. 10%
4、在 ODMR 测量中，单液滴测量存在的问题不包括以下哪项？
A. PDMS 的自发荧光
B. 布朗运动引起的波动
C. 粒子重新取向引起的波动
D. 完全没有噪声
5、双锁相测量中，用于过滤背景噪声的是以下哪种频率设置？
A. 仅fD
B. 仅fMW
C. fD和fMW
D. 与频率无关
6、以Gd3+离子为模型系统时，系统可检测的浓度范围是多少？
A. 100 - 300 nM
B. 500 nM 到 20 μM
C. 100 nM 到 1 μM
D. 2 μM 到 10 μM
7、该检测方法的优势不包括以下哪项？
A. 所需 ND 体积小
B. 成本高
C. 无需表面处理
D. 可应用于多个领域
参考文献：
Adrisha Sarkar et al. High-precision chemical quantum sensing in flowing monodisperse microdroplets. Sci. Adv. 10, eadp4033(2024).
