[논문 리뷰] Luminescence of Nanodiamond Driven by Atomic Functionalization: Towards Novel Biomolecular Detection Principles

Vladimíra Petráková, Andrew Taylor외 10명|arXiv (Cornell University)|2011. 03. 07.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 31인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 나노다이아몬드(NDs)를 사용한 새로운 광학 화학생물감지 기법을 제안한다. 표면 원자 기능화—특히 수소화—를 통해 전기장 결합을 통한 질소빈약(NV) 중심의 발광을 화학적으로 조절한다. NV⁻(636 nm)에서 NV⁰(575 nm)로의 방출 이동을 통해 표준 공형 현미경을 사용하여 가시 영역에서 레이블 프리, 세포 내 감지가 가능한 생화학적 과정 모니터링을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생물학적 환경에서 화학 과정을 원거리, 광학적으로 감지할 수 있는 새로운 원리를 개발하기 위해.
• 기존 분자 염료의 한계를 극복하고 나노다이아몬드의 생체 적합성, 크기 조절 가능성, 안정적인 발광성을 활용하기 위해.
• 작은 ND에서 표면에 기인한 전기장을 이용해 NV 중심의 전자 상태를 조절하고 측정 가능한 색상 이동을 유도하기 위해.
• 표면 화학—특히 수소화—가 NV 발광을 가역적으로 변화시켜 생물감지 응용을 가능하게 할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 나노다이아몬드(NDs)의 질소빈약(NV) 중심을 화학 변화의 내재 광학 표지자로 활용하기 위해.
• 표면 기능화(산화 및 수소화)를 적용하여 다이아몬드 표면의 국소 전기장을 조작하기 위해.
• 작은 ND(~5 nm)에서의 양자 구속 효과를 활용해 표면 전기장이 부품으로 침투하여 NV 전자 상태와 결합되도록 하기 위해.
• 표면 화학 변화의 직접적 지표로 636 nm(NV⁻)에서 575 nm(NV⁰)로의 발광 방출 이동을 측정하기 위해.
• 최적의 감도를 위한 최적의 ND 치수를 예측하기 위해 NV 색상 이동의 크기 의존성을 모델링하기 위해.
• 합성 나노다이아몬드와 공학적으로 NV 중심을 가진 단일 결정 다이아몬드에서 효과를 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면 원자 기능화가 나노다이아몬드에서 측정 가능한, 가역적인 NV 중심 발광 변화를 유도할 수 있는가?
• RQ2 나노다이아몬드의 크기가 표면 전기장 결합으로 인한 NV 색상 이동의 크기에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 나노다이아몬드 표면의 수소화가 얼마나 NV⁻ 발광을 억제하고 NV⁰ 방출로의 이동을 유도하는가?
• RQ4 이 현상은 표준 공형 현미경을 사용해 실시간 세포 내 생화학적 과정 감지를 위해 활용될 수 있는가?
• RQ5 표면 전하 조절과 그로 인한 NV 방출 파장 이동 사이의 이론적 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 나노다이아몬드의 수소화는 NV 중심 발광을 636 nm(NV⁻)에서 575 nm(NV⁰)로 측정 가능한 이동을 유도하여 전하 상태 변화를 나타낸다.
• 수소화에 의한 NV⁻ 중심의 발광 억제는 표면 전기장이 NV 전자 상태에 미치는 영향을 확인한다.
• 작은 나노다이아몬드(~5 nm)는 표면 기능화로 인한 전기장 침투가 강화되어 더 큰 NV 색상 이동을 보인다.
• 이 현상은 표준 공형 현미경에서 관찰 가능하여 전용 광학 장비 없이도 세포 내 생물감지 가능성을 열어준다.
• 모델링 결과 다이아몬드 크기를 줄일수록 NV 색상 이동의 크기가 증가함을 확인하여 최적 센서 설계 규칙을 제안한다.
• 이 방법은 발광 색상 변화의 광학적 감지에 의해 생물학적 환경에서 레이블 프리, 원거리 감지가 가능한 생화학적 과정 모니터링을 가능하게 한다.