锁相放大器OE1022D在光纤量子探针方面应用

【概述】

近期，暨南大学理工学院罗云瀚、陈耀飞教授团队在国际化学权威杂志ACS Sensors期刊上发表题为“Nanodiamond-Based Optical-Fiber Quantum Probe for Magnetic Field and Biological Sensing”学术论文，论文提出了一种基于纳米金刚石NV色心的光纤量子探针,并实现高灵敏的磁场和生物传感。在此工作中,科研团队通过化学修饰的方法将纳米金刚石集成在锥形光纤端面上,从而制备出该探针,研究发现可通过优化修饰过程来调控探针的传感性能;采用连续波光探测磁共振方法和锁定放大技术并利用磁通量集中增强技术,实验获得了0.57 nT/Hz1/2 @ 1Hz的磁探测灵敏度;该探针还表现出优异的顺磁性物质探测能力,为进一步开发出高性能生物传感器提供了条件。

【样品 & 测试】

将光纤腐蚀呈锥状,并将纳米金刚石修饰在锥形区域表面以完成探针的制备。腐蚀得到的锥形光纤端面经光学显微镜表征,测得锥尖长度约为270 μm;纳米金刚石颗粒经SEM表征其形貌和尺寸(约为100nm),经FTIR和发光谱测试证明其包含NV色心且表面携带羧基;制备得到的光纤量子探针,先后经荧光显微镜和光谱仪测试,结果表明可通过优化修饰过程中纳米金刚石分散液浓度和修饰时间提升荧光信号强度。

对制备完成的光纤量子探针进行磁探测性能测试。随着施加在探针上的磁场强度的增加,利用光电探测器(Thorlabs APD410A/M)和锁相放大器(LIA, Sine Scientific Instruments OE1022D)测得ODMR频谱(我们称之为LI-ODMR频谱)，ODMR谱线以ν0(~2.87GHz,对应于基态|±1>之间的能级劈裂)为中心向两边展宽。采用磁通量集中增强技术,将探针的磁电转换系数和磁场探测灵敏度分别提升至1458.66 V/T和0.57 nT/Hz1/2@1Hz,相较于未采用磁通量增强的情况均有近两个量级的提升,这也是首次将基于纳米金刚石的光纤磁场传感器灵敏度提升至皮特斯拉量级。此外,通过对光纤锥结构和磁通量聚集装置参数的优化,预期实现灵敏度的进一步提升。

对制备完成的光纤量子探针进行顺磁性物质传感测试。顺磁性物质如自由基和顺磁性金属蛋白,特点是其价层中含有一个或多个未配对电子。越来越多的研究表面顺磁性物质在肿瘤生长、免疫反应、代谢等多种生理过程中起着至关重要的作用,并且内源性顺磁性物质已成为多种疾病的生物标志物。因此,对顺磁性物质的传感显得十分重要。钆离子(Gd3+)是顺磁性物质中的一种,其被广泛用作核磁共振造影剂,在4f亚层中拥有7个未成对电子,因此表现出强顺磁性。在实验中,Gd3+产生的磁自旋噪声能延伸至GHz范围,其频率分量对应于NV色心的拉莫尔进动,因此Gd3+对NV色心的影响以降低其极化率的形式呈现,最终表现为荧光强度的降低。

实验中对Gd3+浓度从100nM至3M进行了梯度测试,随着Gd3+浓度的增加,ODMR谱线对比度明显降低,谐振频率保持不变,Gd3+的检测灵敏度约为26.8 nM/Hz1/2。作为对照,对La3+进行相同条件的测试(化学性质类似于Gd3+,但没有任何未配对的电子即表现为非顺磁性),结果表明ODMR谱线几乎不受La3+浓度影响。

图1所示。(a)光纤量子探针示意图。(b)金刚石晶格中出现NV缺陷。(c)能级结构。(d) ODMR频谱示意图。(e)锥形光纤尖端的显微镜图像。(f−h) NDs的SEM 图像、FTIR 光谱和光致发光光谱。(i)探针制备过程示意图。(j)荧光光谱测试装置示意图。(k)锁定ODMR频谱测量示意图。

图2。(a,c) 不同金刚石浓度修饰下的探针荧光显微镜图。(b,d)不同修饰时间下的探针荧光显微镜图  探针的荧光显微镜图像和相应的荧光光谱。

图3不同磁场强度下的ODMR谱线图

图4。(a)施加有磁通量聚集装置的光纤探针(b)不同磁场强度下的ODMR谱线图

(d)磁噪声幅度谱密度(e)比较不同探针使用或不使用mfc的检测灵敏度

图5。(a)使用微流体管对 PS 进行传感的示意图。(b)顺磁性Gd3+作用于纳米金刚石NV色心和非顺磁性La3+与NV色心无相互作用示意图(c, d)不同浓度的 Gd3+ 和 La3+ 下测量的 LI-ODMR 光谱。(e)锁定信号对信号源固定 2877 MHz 频率下浓度的依赖性。

【总结】

团队提出并论证了一种利用金刚石NV色心作为量子探针的新结构。该探针通过化学共价键将含有NV色心的纳米金刚石固定在锥形光纤尖端,并基于连续波ODMR方法和锁相放大技术应用于磁场和顺磁性物质的传感,在实验中分别达到了0.57 nT/Hz1/2@ 1Hz和26.8 nM/Hz1/2的最高灵敏度。研究工作中提出的基于金刚石NV色心传感方法为研制集成度高、体积小、灵敏度高的多功能光纤量子探针奠定了基础。