Bio-molecular sensors for molecular diagnostics in nanomedicine based on color centres in diamond

Abstract

Recent developments of engineered nitrogen-vacancy (NV) centres in diamond hold great promise for novel sensitive nanoscale probes that can be used for quantum measurements and for diagnostics in nanomedicine. The aim of this work is to enable these sensoring applications by studying NV photo-physics and by investigating NV detection sensing schemes. In this research we include both: fluorescent nanodiamond particles (NDs) and NV-containing single crystal diamond. We first study the fabrication processes of NDs, such as particle irradiation and surface termination with Fluorine, enabling for more homogeneous formation of NV centers in NDs and stabilization of NV charge by fluorination. Second part of the NDs’ research focuses on in-cell application. We demonstrate a novel method of visualising NDs simultaneously with cell nucleus using Raman imaging and we observe the internalization rates of NDs by following the mechanical changes of cell membrane with the means of atomic force spectroscopy. In single crystal diamond we focus more on the novel photocurrent method of NV spin readout, which we develop with aim of future quantum sensoring applications. Our photoelectric readout demonstrates higher detection rates than commonly used optical methods. We show that this technique is compatible with pulsed coherent NV spin manipulation and readout, demonstrating thus perspectives for progressing towards compact and scalable single spin quantum chip device.

Nedávný progres v oblasti dusík-vakance center (NV) v diamantu otevírá nové možnosti pro realizace citlivých nano-sond pro aplikace v kvantové detekci či nano-medicinské diagnostice. Tato práce se zabývá foto-fyzikálními vlastnostmi NV center a možnostmi jejich detekce, s cílem umožnit a posunout dále vývoj senzorických aplikací na bázi NV center. K tomuto účelu jsou použité jak fluorescenční nanodiamanty (ND), tak monokrystalický diamant. První část práce se zabývá ND. Je zkoumán proces přípravy svítivých ND, konkrétně procesu iradiace a povrchové úpravy, s výsledkem zlepšení homogenity připravených ND a stabilizace NV náboje díky terminaci částic Fluorem. Následně jsou ND dopraveny do buněk, kde je detekován jejich proces internalizace. K tomu je využita jak nově vyvinutá metoda Ramanovy mikroskopie, která umožnuje současnou detekci NV center a buněčných jader, tak spektroskopie atomárních sil, kde jsou sledovány mechanické změny buněčné membrány. Druhá část práce se věnuje nové fotoproudové metodě pro detekci NV spinů v monokrystalickém diamantu, kterou jsme vyvinuli pro budoucí kvantové senzorické aplikace. Naše fotoelektrická metoda dosahuje vyšší intenzity detekce v porovnání se standardně používanými optickými metodami. Možnost koherentní pulzní manipulace a detekce spinů pomocí této metody je demonstrována, což je nezbytný prvek pro výrobu kompaktních senzorů na bázi kvantových jedno-spinových čipů.