論文の概要: Q-BiC: A biocompatible integrated chip for in vitro and in vivo spin-based quantum sensing
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2406.01181v1
- Date: Mon, 3 Jun 2024 10:26:15 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-06-06 01:28:45.152624
- Title: Q-BiC: A biocompatible integrated chip for in vitro and in vivo spin-based quantum sensing
- Title（参考訳）: Q-BiC:in vitroおよびin vivoにおけるスピンベース量子センシングのための生体適合型集積チップ
- Authors: Louise Shanahan, Sophia Belser, Jack W. Hart, Qiushi Gu, Julien R. E. Roth, Annika Mechnich, Michael Hoegen, Soham Pal, David Jordan, Eric A. Miska, Mete Atature, Helena S. Knowles,
- Abstract要約: 光処理可能なスピンベースの量子センサーは、システムの温度、磁場、pH、その他の物理的特性のナノスケールの測定を可能にする。
マイクロ流体に適合したマイクロ波の伝送を容易にする量子バイオセンシングチップ(Q-BiC)について述べる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.23906118847859378
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Optically addressable spin-based quantum sensors enable nanoscale measurements of temperature, magnetic field, pH, and other physical properties of a system. Advancing the sensors beyond proof-of-principle demonstrations in living cells and multicellular organisms towards reliable, damage-free quantum sensing poses three distinct technical challenges. First, spin-based quantum sensing requires optical accessibility and microwave delivery. Second, any microelectronics must be biocompatible and designed for imaging living specimens. Third, efficient microwave delivery and temperature control are essential to reduce unwanted heating and to maintain an optimal biological environment. Here, we present the Quantum Biosensing Chip (Q-BiC), which facilitates microfluidic-compatible microwave delivery and includes on-chip temperature control. We demonstrate the use of Q-BiC in conjunction with nanodiamonds containing nitrogen vacancy centers to perform optically detected magnetic resonance in living systems. We quantify the biocompatibility of microwave excitation required for optically detected magnetic resonance both in vitro in HeLa cells and in vivo in the nematode Caenorhabditis elegans for temperature measurements and determine the microwave-exposure range allowed before detrimental effects are observed. In addition, we show that nanoscale quantum thermometry can be performed in immobilised but non-anaesthetised adult nematodes with minimal stress. These results enable the use of spin-based quantum sensors without damaging the biological system under study, facilitating the investigation of the local thermodynamic and viscoelastic properties of intracellular processes.
- Abstract（参考訳）: 光処理可能なスピンベースの量子センサーは、システムの温度、磁場、pH、その他の物理的特性のナノスケールの測定を可能にする。
生体細胞や多細胞生物の実証実験を超えて、信頼性が高く損傷のない量子センシングにセンサーを応用することは、3つの技術的課題をもたらす。
第一に、スピンベースの量子センシングは光アクセシビリティとマイクロ波の伝送を必要とする。
第二に、あらゆるマイクロエレクトロニクスは生物と互換性があり、生きた標本を撮像するために設計されなければならない。
第三に、マイクロ波の効率のよい供給と温度制御は、望ましくない加熱を減らし、最適な生物学的環境を維持するために不可欠である。
本稿では,マイクロ流体に適合したマイクロ波の伝送を容易にするQuantum Biosensing Chip (Q-BiC)について述べる。
本研究では, 窒素空孔中心を含むナノダイヤモンドとQ-BiCを併用し, 生体内での磁気共鳴を光学的に検出した。
我々は,HeLa細胞および線虫Caenorhabditis elegansの光磁気共鳴をin vitroで検出するために必要なマイクロ波励起の生体適合性を定量化し,除草効果が観測される前に許容されるマイクロ波露光範囲を決定する。
さらに, ナノスケールの量子温度測定を, 最小限の応力で, 固定化・無麻酔の成人線虫に行うことができることを示した。
これらの結果は、研究中の生体システムに損傷を与えることなく、スピンベースの量子センサーを使用することを可能にし、細胞内プロセスの局所熱力学および粘弾性特性の研究を容易にする。
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