[論文レビュー] Luminescence of Nanodiamond Driven by Atomic Functionalization: Towards Novel Biomolecular Detection Principles

Vladimíra Petráková, Andrew Taylor+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2011

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 31被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ナノダイヤモンド（ND）を用いた光学的キモバイオセンシング法を提案する。表面原子的機能化（特に水素化）が、電場結合を通じて窒素空位（NV）中心の発光を化学的に制御する。発光をNV⁻（636 nm）からNV⁰（575 nm）にシフトさせることで、標準的な共焦点顕微鏡を用いて可視、ラベルフリー、細胞内での生化学的プロセスのモニタリングが可能となる。

ABSTRACT

High biocompatibility, variable size ranging from ~ 5 nm, stable luminescence from its color centers and simple carbon chemistry for biomolecule grafting make nanodiamond (ND) particles an attractive alternative to molecular dyes for drug-delivery. Here we present a novel method for remote monitoring of chemical processes in biological environment based on color changes from photo-luminescent NV centers in ND. We propose to drive the NV luminescence chemically, by alternating the surface electric field developed by interacting atoms and molecules with the diamond surface. Due to the small ND size, the developed electric field penetrates into the bulk of the nanoparticle and intermingles with the electronic NV states. This allows construction of optical chemo-biosensors operating in cells, visible in classical confocal microscopes. We demonstrate this phenomenon on oxidized and hydrogenated ND as well as single crystal diamond containing engineered NV centers. Hydrogenation of NDs leads to quenching of luminescence related to negatively charged (NV-) centers and by this way produces color shifts from NV- (636 nm) to neutral NV0 (575nm) luminescence. We model how the reduction of diamond size increases the magnitude of NV color shift phenomena.

研究の動機と目的

• ナノダイヤモンドを用いて、生物学的環境下での化学的プロセスを遠隔で光学的にモニタリングするための新規原理の開発。
• 従来の分子ダイヤの限界を克服するため、ナノダイヤモンドの生体適合性、サイズの調整可能性、安定した発光性を活用すること。
• 小さなNDにおける表面に起因する電場を活用し、NV中心の電子状態を制御し、測定可能な色のシフトを誘発すること。
• 表面化学（特に水素化）がNV発光を可逆的に変化させられることを実証し、バイオセンシング応用を可能とすること。

提案手法

• ナノダイヤモンド（ND）内の窒素空位（NV）中心を化学的変化の内在的光学レポーターとして利用すること。
• 表面機能化（酸化および水素化）を施し、ダイヤモンド表面における局所電場を変化させること。
• 小さなND（約5 nm）における量子閉じ込め効果を活用し、表面電場がバルク内に浸透し、NV電子状態と結合すること。
• 発光波長のシフト（636 nm（NV⁻）から575 nm（NV⁰）への変化）を測定し、表面化学的変化の直接的指標とする。
• NV色シフトのサイズ依存性をモデル化し、最大感度を得るための最適なND寸法を予測すること。
• 合成ナノダイヤモンドおよび人工NV中心を有する単結晶ダイヤモンドの両方で、効果を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面原子的機能化が、ナノダイヤモンド内のNV中心発光に測定可能で可逆的な変化を引き起こすか？
• RQ2 ナノダイヤモンドのサイズが、表面電場結合に起因するNV色シフトの大きさにどのように影響するか？
• RQ3 ND表面の水素化が、NV⁻発光をどれほど効果的に遮断し、NV⁰発光にシフトさせるか？
• RQ4 この現象が、標準的共焦点顕微鏡を用いて、リアルタイムで細胞内での生化学的プロセスをモニタリングするために利用可能か？
• RQ5 表面電荷の変調とそれに伴うNV発光波長シフトとの理論的関係は何か？

主な発見

• ナノダイヤモンドの水素化により、NV中心発光が636 nm（NV⁻）から575 nm（NV⁰）に明確にシフトし、電荷状態の変化を示している。
• 水素化に伴うNV⁻中心の発光遮断は、表面電場がNV電子状態に及ぼす影響を裏付ける。
• 小さなナノダイヤモンド（約5 nm）は、表面機能化に起因する電場の浸透が強いため、より顕著なNV色シフトを示す。
• この現象は標準的共焦点顕微鏡でも観察可能であり、特別な光学装置を必要としない細胞内バイオセンシングの可能性を秘めている。
• モデル化により、ダイヤモンドサイズの減少がNV色シフトの大きさを増加させることを示し、最適化されたセンサーの設計ルールが示唆される。
• 本手法により、発光色の変化を光学的に検出することで、ラベルフリーかつ遠隔で生物学的環境下での化学的プロセスをモニタリング可能となる。