[논문 리뷰] Is a quantum biosensing revolution approaching?

Giulia Petrini, Ekaterina Moreva외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 01.

Atomic and Subatomic Physics Research참고 문헌 169인용 수 13

한 줄 요약

이 리뷰는 다이아몬드 내 질소빈자(NV) 중심이 생물학적 시스템에서 약한 전자기장과 열장 감지를 위한 생체친화적인 양자 센서로의 잠재력을 탐색한다. 광학적으로 탐지된 자화공명(ODMR)을 활용하여 NV 중심은 실온에서 나노스케일 공간 해상도와 1mK 이하의 온도 감도를 구현하며, 신경세포 및 심장 근육의 자장을 감지한 바 있어 신경과학 및 진단 분야에서 혁신적인 도구로 자리매김하고 있다.

ABSTRACT

Understanding the human brain remains one of the most significant challenges of the 21st century. As theoretical studies continue to improve the description of the complex mechanisms that regulate biological processes, in parallel numerous experiments are conducted to enrich or verify these theoretical predictions and with the aim of extrapolating more accurate models. In the field of magnetometers for biological application, among the various sensors proposed for this purpose, NV centers have emerged as a promising solution due to their perfect biocompatibility and the possibility of being positioned in close proximity and even inside the cell, allowing a nanometric spatial resolution. There are still many difficulties that must be overcome in order to obtain both spatial resolution and sensitivity capable of revealing the very weak biological electromagnetic fields generated by neurons (or other cells). However, over the last few years, significant improvements have been achieved in this direction, thanks to the use of innovative techniques, which allow us to hope for an early application of these sensors for the measurement of fields such as the one generated by cardiac tissue, if not, in perspective, for the nerve fibers fields. In this review, we will analyze the new results regarding the application of NV centers and we will discuss the main challenges that currently prevent these quantum sensors from reaching their full potential.

연구 동기 및 목표

• 약한 생물학적 전자기장을 감지하기 위한 NV 중심이 양자 생체감지기로 실현 가능한지 평가하기.
• 생체 내에서 높은 공간 해상도와 감도를 확보하는 데 도전 과제를 해결하기.
• 최근 NV 기반 센서를 통한 신경세포 및 심장 활동 감지의 실험적 진전을 분석하기.
• 레이저 출력 제약과 공명 시간 등의 기술적 장벽을 규명하여 생체 내 응용에 제한을 주는 요소 분석하기.
• 미세한 생체전기자장 신호를 감지함으로써 신경퇴행성 질환의 조기 진단 잠재력을 평가하기.

제안 방법

• 광학적으로 조작 가능한 스핀 상태를 지닌 합성 다이아몬드 내 질소빈자(NV) 결함을 양자 센서로 활용.
• 실온에서 NV 스핀 상태의 초기화 및 판독을 위해 광학적으로 탐지된 자화공명(ODMR)을 적용.
• 스핀 공명 시간을 연장하고 신호 대 잡음비를 향상시키기 위해 펄스 측정 프로토콜을 적용.
• 생체세포 환경에서 감도와 생체친화성의 균형을 맞추기 위해 레이저 조명 강도를 몇 mW 수준까지 최적화.
• 온도 감지 감도 향상을 위해 횡방향 외부 자기장(~3 mT)을 적용.
• 광손상 최소화와 함께 나노스케일 공간 해상도 유지 목적으로 약 1 µm³의 감지 부피를 활용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NV 중심은 인간 신경세포의 축전 전위에 의해 생성되는 약한 자장을 감지할 수 있는가?
• RQ2 생물학적 조건에서 NV 기반 센서가 감지할 수 있는 최소 자장 강도는 얼마인가?
• RQ3 세포 생존성을 유지하면서도 고감도 센싱을 유지하기 위해 레이저 출력을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 NV 센서는 세포 미세도메인 내 국소적 열기울기를 어느 정도 정밀하게 해상할 수 있는가?
• RQ5 신경세포의 단일 축전 전위 감지를 가능하게 하기 위해 어떤 기술적 향상이 필요한가?

주요 결과

• 80 mW 레이저 출력에서 약 1 µm³ 감지 부피에서 NV 중심은 약 4.8 mK/Hz¹ᐟ²의 온도 감도를 달성하여 대부분의 생물학적 과정에 요구되는 조건을 초월한다.
• 몇 mW 수준으로 레이저 출력을 낮추었을 때도 온도 감도는 생물학적 과정을 1도 이내 정밀도로 해상하기에 충분히 유지된다.
• NV 기반 센서는 인간 뉴런의 자장보다 훨씬 강한 자장을 내보내는 자성세균 및 잔등의 축삭에서의 자장을 성공적으로 감지한 바 있다.
• 최적화된 펄스 프로토콜과 공 ing된 다이아몬드 샘플을 사용할 경우, 심장 표면에서의 심장 자장 추정치는 현재의 감지 능력 범위 내에 들어온다.
• 단일 축전 전위의 자장 신호 감지는 결합 강도가 약하기 때문에 아직 도전 과제이지만, 집단적인 신경세포 활동 감지는 근래의 실현 가능 목표로 간주된다.
• 미토콘드리아 활동과 신경전달물질 방출과 관련된 국소적 열기울기는 NV 기반 온도 측정을 통해 신뢰성 있게 모니터링할 수 있다.