[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种基于纳米金刚石（NDs）的新型光学化学生物传感方法，通过表面原子功能化——特别是氢化——实现电场耦合，化学调控氮空位（NV）中心的发光特性。通过将发射波长从NV⁻（636 nm）转变为NV⁰（575 nm），该方法实现了使用标准共聚焦显微镜对生物细胞内生化过程进行肉眼可见、无需标记的实时监测。

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.

研究动机与目标

• 开发一种利用纳米金刚石实现远程、光学监测生物环境中化学过程的新原理。
• 通过利用纳米金刚石的生物相容性、尺寸可调性以及稳定的发光特性，克服传统分子荧光染料的局限性。
• 利用小尺寸纳米金刚石中的表面诱导电场，调控NV中心的电子态，实现可测量的发光颜色变化。
• 证明表面化学修饰——特别是氢化——可可逆地改变NV发光特性，从而实现生物传感应用。

提出的方法

• 利用纳米金刚石（NDs）中的氮空位（NV）中心作为化学变化的内在光学探针。
• 通过表面功能化（氧化和氢化）改变金刚石表面的局部电场。
• 利用小尺寸NDs（约5 nm）中的量子限制效应，增强表面电场向体相的渗透，从而与NV电子态耦合。
• 通过测量发光波长从636 nm（NV⁻）到575 nm（NV⁰）的偏移，作为表面化学变化的直接指标。
• 建立尺寸依赖性的NV颜色偏移模型，以预测实现最大灵敏度的最优ND尺寸。
• 在合成纳米金刚石和具有工程化NV中心的单晶金刚石中验证该效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 表面原子功能化是否能在纳米金刚石中诱导可测量且可逆的NV中心发光变化？
• RQ2 纳米金刚石的尺寸在多大程度上影响由于表面电场耦合引起的NV颜色偏移幅度？
• RQ3 ND表面的氢化在多大程度上能淬灭NV⁻发光并诱导向NV⁰发射的转变？
• RQ4 该现象是否可被用于利用标准共聚焦显微镜实现对生物化学过程的实时、细胞内监测？
• RQ5 表面电荷调制与NV发射波长变化之间的理论关系是什么？

主要发现

• 纳米金刚石的氢化诱导NV中心发光从636 nm（NV⁻）发生可测量的红移至575 nm（NV⁰），表明其电荷态发生变化。
• NV⁻中心在氢化后发光淬灭，证实了表面电场对NV电子态的影响。
• 尺寸更小的纳米金刚石（约5 nm）因表面功能化引起的电场穿透增强，表现出更强的NV颜色偏移。
• 该现象可在标准共聚焦显微镜下观测到，表明其可实现无需特殊光学设备的细胞内生物传感。
• 建模结果表明，减小金刚石尺寸可增强NV颜色偏移的幅度，提示了优化传感器的设计规则。
• 该方法可通过光学检测发射颜色变化，实现对生物环境中化学过程的无标记、远程监测。