論文の概要: Toward a CMOS-integrated quantum diamond biosensor based on NV centers

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2602.20437v1
• Date: Tue, 24 Feb 2026 00:37:17 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-02-25 17:34:53.562218
• Title: Toward a CMOS-integrated quantum diamond biosensor based on NV centers
• Title（参考訳）: NV中心に基づくCMOS集積量子ダイヤモンドバイオセンサを目指して
• Authors: Ioannis Varveris, Gianni D. Aliberti, Felix J. Barzilaij, Zhi Jin, Samantha A. van Rijs, Qiangrui Dong, Daan Brinks, Salahuddin Nur, Ryoichi Ishihara,
• Abstract要約: CMOS集積量子ダイヤモンドバイオセンシングプラットフォームに向けた進展を報告する。 このシステムは、オンチップのアクティブなクエンチとデジタル読み出しと、外部FPGAベースの光子カウントを統合している。 約90nT/$sqrtmathrmHz/1ピクセルあたりの磁場感度を推定した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 27.327120599253046
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: We report progress toward a CMOS-integrated quantum diamond biosensing platform that combines nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond with a custom 40 nm CMOS Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) array. The system integrates on-chip active quenching and digital readout with external FPGA-based photon counting, compact microwave delivery, and practical optical excitation and collection schemes to support widefield optically detected magnetic resonance (ODMR). System-level design considerations spanning fluorescence collection efficiency, detector count-rate capability, and microwave homogeneity are analyzed with biological compatibility and scalability in mind. Using superparamagnetic iron oxide nanoparticle (SPION)-labeled HEK293T cells as a representative use case, simple dipole-field estimates indicate that sub-$μ$T sensitivity is required to resolve ODMR shifts within typical ensemble linewidths. Based on the proposed architecture and efficiency analysis, a magnetic field sensitivity of approximately 90 nT/$\sqrt{\mathrm{Hz}}$ per pixel is estimated. These results outline a practical path from optics-heavy quantum diamond microscopes toward compact, CMOS-integrated NV-based biosensors for quantitative magnetic imaging in complex biological environments.
• Abstract（参考訳）: 我々は、窒素空孔(NV)中心とカスタムの40nmCMOSシングルフォトアバランシェダイオード(SPAD)アレイを組み合わせたCMOS集積型量子ダイヤモンドバイオセンシングプラットフォームに向けた進展を報告する。 このシステムは、オンチップのアクティブなクエンチングとデジタル読み出しと、外部FPGAベースの光子計数、小型マイクロ波配信、および広視野光検出磁気共鳴(ODMR)をサポートする実用的な光励起と収集スキームを統合している。 生体適合性とスケーラビリティを念頭に置いて, 蛍光回収効率, 検出器カウントレート能力, マイクロ波均一性を考慮したシステムレベルの設計考察を行った。 超常磁性酸化鉄ナノ粒子(SPION)標識HEK293T細胞を代表的な用途として用いた単純な双極子場推定では、典型的なアンサンブル線幅内のODMRシフトを解決するために、サブ$μ$Tの感度が必要である。 提案したアーキテクチャと効率解析に基づいて,約90nT/$\sqrt{\mathrm{Hz}}$1ピクセルあたりの磁場感度を推定する。 これらの結果は、光学量の多い量子ダイヤモンド顕微鏡から、複雑な生物学的環境下での定量的イメージングのためのCMOS集積NVベースのバイオセンサーへの実践的な経路を概説している。

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