Lab-on-a-chip (LOC) applications have emerged as invaluable physical and life sciences tools. The advantages stem from advanced system miniaturization, thus, requiring far less sample volume while allowing for complex functionality, increased reproducibility, and high throughput. However, LOC applications necessitate extensive sensor miniaturization to leverage these inherent advantages fully. Atom-sized quantum sensors are highly promising to bridge this gap and have enabled measurements of temperature, electric and magnetic fields on the nano- to microscale. Nevertheless, the technical complexity of both disciplines has so far impeded an uncompromising combination of LOC systems and quantum sensors. Here, we present a fully integrated microfluidic platform for solid-state spin quantum sensors, like the nitrogen-vacancy (NV) center in diamond. Our platform fulfills all technical requirements, such as fast spin manipulation, enabling full quantum sensing capabilities, biocompatibility, and easy adaptability to arbitrary channel and chip geometries. To illustrate the vast potential of quantum sensors in LOC systems, we demonstrate various NV center-based sensing modalities for chemical analysis in our microfluidic platform, ranging from paramagnetic ion detection to high-resolution microscale NV-NMR. Consequently, our work opens the door for novel chemical analysis capabilities within LOC devices with applications in electrochemistry, high-throughput reaction screening, bioanalytics, organ-on-a-chip, or single-cell studies.

中文翻译：

---

用于芯片实验室应用的微流体量子传感平台

芯片实验室 ​​(LOC) 应用程序已成为宝贵的物理和生命科学工具。优势源于先进的系统小型化，因此，需要更少的样品量，同时允许复杂的功能、更高的重现性和高通量。然而，LOC 应用需要广泛的传感器小型化，以充分利用这些固有优势。原子大小的量子传感器非常有希望弥合这一差距，并能够在纳米到微米尺度上测量温度、电场和磁场。然而，到目前为止，这两个学科的技术复杂性阻碍了 LOC 系统和量子传感器的完美结合。在这里，我们提出了一个完全集成的微流体平台，用于固态自旋量子传感器，例如金刚石中的氮空位 (NV) 中心。我们的平台满足所有技术要求，例如快速自旋​​操作、实现完整的量子传感功能、生物相容性以及对任意通道和芯片几何形状的轻松适应性。为了说明 LOC 系统中量子传感器的巨大潜力，我们在我们的微流体平台中展示了用于化学分析的各种基于 NV 中心的传感模式，从顺磁离子检测到高分辨率微型 NV-NMR。因此，我们的工作为 LOC 设备中的新型化学分析功能打开了大门，并应用于电化学、高通量反应筛选、生物分析、器官芯片或单细胞研究。易于适应任意通道和芯片几何形状。为了说明 LOC 系统中量子传感器的巨大潜力，我们在我们的微流体平台中展示了用于化学分析的各种基于 NV 中心的传感模式，从顺磁离子检测到高分辨率微型 NV-NMR。因此，我们的工作为 LOC 设备中的新型化学分析功能打开了大门，并应用于电化学、高通量反应筛选、生物分析、器官芯片或单细胞研究。易于适应任意通道和芯片几何形状。为了说明 LOC 系统中量子传感器的巨大潜力，我们在我们的微流体平台中展示了用于化学分析的各种基于 NV 中心的传感模式，从顺磁离子检测到高分辨率微型 NV-NMR。因此，我们的工作为 LOC 设备中的新型化学分析功能打开了大门，并应用于电化学、高通量反应筛选、生物分析、器官芯片或单细胞研究。