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微流体金刚石传感器:磁性移动生物粒子!

 

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  钻石纳米晶体(中心右侧的白色物体)用于绘制粒子周围的磁场(中心的红色物体)。颗粒漂浮在离子液体的浅浴中。通过使用施加到电极(4个发光棒)的电压使液体流动,可以高精度地移动颗粒(虚线)。插图:钻石纳米晶体核心的NV中心对入射的绿色激光,射频波(洋红色)和附近微粒的磁性作出反应。如果所有这些字段都具有正确的值,则NV中心将发出红光。观察到的光提供了微粒子磁场的量度。

  测量微弱的磁场是一项价值数万亿美元的业务。从硬币大小的芯片中存储和快速检索的千兆字节数据是消费电子产品的核心。通过增强磁检测灵敏度可以实现更高的数据密度 - 可能低至纳特斯拉水平。

  

 

  更高的磁敏感性在许多科学领域也是有用的,例如DNA或病毒等生物分子的鉴定。这项研究通常必须在温暖潮湿的环境中进行,不能在干净的环境或低温条件下进行。JQI科学家通过开发在流体环境中运行的钻石传感器来解决这一问题。该传感器制作小颗粒(实际生物分子的替代品)的磁图(具有17微特斯拉灵敏度),空间分辨率约为50 nm。这可能是微流体在室温下进行的最灵敏的磁测量。

  JQI科学家Edo Waks(马里兰大学教授)及其同事进行的新实验结果发表在NanoLetters期刊上。

  

 

  钻石NV中心!

  传感器的核心是微小的钻石纳米晶体。当这种金刚石接近磁性粒子同时沐浴在激光和微妙的微波信号中时,它将以与粒子自身磁场强度成比例的方式发出荧光。因此来自钻石的光用于映射磁力。

  钻石是如何工作的以及粒子如何在足够接近钻石的位置进行扫描?

  金刚石纳米晶体在与化学气相沉积的过程中以合成金刚石形成的相同工艺制造。一些钻石有微小的缺陷,偶尔会有氮原子取代碳原子。有时,在原本紧密配合的金刚石固体结构中,碳原子完全缺失。在氮(N)和空位(V)彼此相邻的情况下,可能发生有趣的光学效应。NV组合充当一种称为NV色心的人造原子。如果正确的绿色激光提示,NV中心将闪耀。也就是说,如果将吸收绿色激光并发出红光,一次一个光子。

  

 

  可以在微观水平存在磁场的情况下改变NV发射率。然而,要实现这一点,NV中心的内部能量水平必须恰到好处,当中心暴露于来自射频源(如图中边缘所示)和场的信号时,就会出现这种情况。由附近的磁性粒子本身发出。

  颗粒在称为微流体芯片的装置中漂浮在基于去离子水的溶液的浅湖中。钻石牢固地固定在这个湖的底部。当位于通道中的电极哄骗液体中的离子以形成平缓的电流时,粒子移动并在芯片周围转向。就像在墨西哥湾流的帮助下驶向欧洲的船只一样,粒子以亚微米控制着这些电流。甚至可以通过外部磁线圈在垂直方向上操纵粒子。

  

 

  “我们计划使用多颗钻石进行复杂的矢量磁分析。”该出版物的主要作者,康复学生Kangmook Lim说。“我们还将使用浮动钻石代替静止钻石,这对于扫描生物样品的纳米磁性非常有用。”

  

 

  

 
 

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