Řízená fotoluminiscence nanodiamantů: nové principy a detekční metody

Nanodiamantové (ND) částice s velikostmi v rozmezí 5 – 100 nm mohou sloužit jako nový typ optických markerů (značek) pro zobrazování buněk. Silná ND fotoluminiscence (PL) má původ v jednofotonovém vyzařování dusíkově vakančních (NV) barevných center, složených ze substituovaného atomu dusíku a následné vakance, uměle vytvořených v diamantové mřížce. Vysoká biokompatibilita, variabilní velikosti od ~ 5 nm, stabilní luminiscence barevných center a jednoduchá uhlíková chemie pro vazby s biomolekulami činí ND částice atraktivní alternativou k molekulárním barvivům pro identifikaci transportu léčiv. Je prezentován princip nové metody, která může být využita pro dálkové monitorování chemických procesů v biologickém prostředí. Toto monitorování je založené na změnách barev při fotoluminiscenci (PL) NV center v ND. Navrhujeme metodu řízení NV luminiscence chemicky, a to změnami povrchového chemického potenciálu pomocí interakce atomů a molekul s povrchem diamantu. Vzhledem k malé velikosti ND změny chemického povrchového potenciálu při interakci s různými, povrch terminujícími atomy či molekulami, modifikují profil elektrického pole na povrchu diamantu (tj. ohýbání pásu) smíšením s elektronovými NV stavy. To vede ke změnám poměru NV^-/NV⁰ PL a umožňuje konstrukci optických chemicko-biologických senzorů operujících v buňkách s fotoluminiscencí (PL) viditelnou klasickým konfokálním mikroskopem. Tento jev demonstrujeme na monokrystalech diamantu obsahujících uměle připravená NV centra a na oxidovaných a hydrogenovaných nanodiamantech v kapalných fyziologických roztocích pro rozdílně velké ND částice. Hydrogenování ND vede ke zhášení luminiscence ze záporně nabitých NV^-/NV⁰ PL center, a tím i k barevnému posuvu luminiscence od NV^- (638 nm) k neutrálním NV⁰ (575 nm). Uvádíme také model, jak zmenšení velikosti diamantů zvyšuje velikost NV barevného posuvu.

Luminiscence nanodiamantových částic modifikovaných kyslíkem (nahoře) nebo vodíkem (dole) v důsledku uměle připravených NV^-/NV⁰ center.

¹Faculty of Biomedical Engineering, Czech Technical University in Prague, Sítná 3105, Kladno, Czech Republic
²Institute of Physics ASCR, v. v. i, Na Slovance 2, Praha, Czech Republic
³Nuclear Physics Institute ASCR, v. v. i, Řež u Prahy, Czech Republic
⁴Institute of Organic Chemistry and Biochemistry ASCR, v. v. i., Flemingovo náměstí 2, Praha, Czech Republic
⁵Institute of Microbiology ASCR, v. v. i., Vídeňská 1083, Praha, Czech Republic
⁶IMOMEC Division, IMEC, Institute for Materials Research, University Hasselt, Wetenschapspark 1, Diepenbeek, Belgium