論文の概要: High-precision chemical quantum sensing in flowing monodisperse microdroplets

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2404.19313v1
• Date: Tue, 30 Apr 2024 07:32:27 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-05-01 15:04:27.133255
• Title: High-precision chemical quantum sensing in flowing monodisperse microdroplets
• Title（参考訳）: 単分散マイクロドロップレットの高精度化学量子センシング
• Abstract要約: 蛍光性窒素空孔欠陥を量子センサとして収容するナノダイアモンド粒子を, フローリング, 単分散, ピコリットル体積マイクロドロップレットに展開する。 これらのマイクロコンパートメント内のND運動は、センサーと分析の密接な相互作用を促進する。 化学分析に敏感な新しいノイズ抑圧型光磁気共鳴法を提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.5589940740013893
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: We report on a novel flow-based method for high-precision chemical detection that integrates quantum sensing with droplet microfluidics. We deploy nanodiamond particles hosting fluorescent nitrogen vacancy defects as quantum sensors in flowing, monodisperse, picoliter-volume microdroplets containing analyte molecules. ND motion within these microcompartments facilitates close sensor-analyte interaction and mitigates particle heterogeneity. Microdroplet flow rates are rapid (upto 4cm/s) and with minimal drift. Pairing this controlled flow with microwave control of NV electronic spins, we introduce a new noise-suppressed mode of Optically Detected Magnetic Resonance that is sensitive to chemical analytes while resilient against experimental variations, achieving detection of analyte-induced signals at an unprecedented level of a few hundredths of a percent of the ND fluorescence. We demonstrate its application to detecting paramagnetic ions in droplets with simultaneously low limit-of-detection and low analyte volumes, in a manner significantly better than existing technologies. This is combined with exceptional measurement stability over >103s and across hundreds of thousands of droplets, while utilizing minimal sensor volumes and incurring low ND costs (<$0.70 for an hour of operation). Additionally, we demonstrate using these droplets as micro-confinement chambers by co-encapsulating ND quantum sensors with analytes, including single cells. This versatility suggests wide-ranging applications, like single-cell metabolomics and real-time intracellular measurements in bioreactors. Our work paves the way for portable, high-sensitivity, amplification-free, chemical assays with high throughput; introduces a new chemical imaging tool for probing chemical reactions in microenvironments; and establishes the foundation for developing movable, arrayed quantum sensors through droplet microfluidics.
• Abstract（参考訳）: 本稿では, 液滴マイクロ流体学と量子センシングを統合した, 高精度化学検出のための新しいフローベース手法について報告する。 我々は, 蛍光性窒素空孔欠陥を量子センサとするナノダイアモンド粒子を, 触媒分子を含む単分散, ピコリットル体積マイクロドロップレットに配置した。 これらのマイクロコンパートメント内のND運動は、密接なセンサー・アナリテート相互作用を促進し、粒子の不均一性を緩和する。 マイクロドロップレット流量は急速(最大4cm/s)で、ドリフトは最小限である。 NV電子スピンのマイクロ波制御により制御されたこの流れを呈し, 化学分析に敏感な光磁気共鳴の新しいノイズ抑制モードを導入し, 実験変動に対して耐性を持ち, 触媒誘起信号の検出をND蛍光の数百分の1という前例のないレベルに達成した。 本研究は, 検出限界が低く, 分析量が少ない液滴中の常磁性イオンの検出への応用を, 既存の技術よりもはるかに優れた方法で実証するものである。 これは、センサーの量を最小限に抑え、低NDコスト(1時間の動作で0.70ドル)を発生させながら、103s以上の例外的な測定安定性と数十万の液滴にまたがる。 さらに, これらの液滴を単一細胞を含む分析液を用いたND量子センサの共カプセル化により, マイクロコンフィニメントチャンバーとして用いることを実証した。 この汎用性は、単一細胞代謝学やバイオリアクターのリアルタイム細胞内測定のような幅広い応用を示唆している。 我々の研究は、ポータブルで高感度で増幅不要な化学測定法を高いスループットで実現し、マイクロ環境下での化学反応を探索するための新しい化学イメージングツールを導入し、液滴マイクロ流体による可動配列量子センサーの開発の基礎を確立した。

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