流动单分散微滴中的高精度化学量子传感

我们报道了一种新颖的基于流动的高精度化学检测方法，该方法将量子传感与液滴微流控技术相结合。我们部署了含有荧光氮空位缺陷的纳米金刚石颗粒作为量子传感器，将其置于含有分析物分子的流动、单分散、皮升级微滴中。纳米金刚石在这些微隔室内的运动促进了传感器与分析物的紧密相互作用，并减轻了颗粒异质性。微滴流速快（高达4 cm/s）且漂移极小。将这种受控流动与氮空位电子自旋的微波控制相结合，我们引入了一种新的噪声抑制型光探测磁共振模式，该模式对化学分析物敏感，同时对实验变化具有鲁棒性，实现了对分析物诱导信号的检测，其水平达到了纳米金刚石荧光的万分之几，前所未有。我们展示了其在检测液滴中顺磁离子方面的应用，同时实现了低检测限和低分析物体积，显著优于现有技术。此外，该方法具有出色的测量稳定性（超过10^3秒，跨越数十万个液滴），同时使用最小的传感器体积和低廉的纳米金刚石成本（每小时运行成本低于0.70美元）。我们还展示了通过将纳米金刚石量子传感器与分析物（包括单细胞）共封装，将这些液滴用作微限制室。这种多功能性暗示了广泛的应用，如单细胞代谢组学和生物反应器中的实时细胞内测量。我们的工作为便携式、高灵敏度、无扩增、高通量的化学分析铺平了道路；引入了一种用于探测微环境中化学反应的新型化学成像工具；并为通过液滴微流控开发可移动、阵列式量子传感器奠定了基础。