Mikrofluidisk diamantsensor:Flytter biopartikler magnetisk

Måling af svage magnetfelter er en billion virksomhed. Gigabyte data, gemt og hurtigt hentet fra chips på størrelse med en mønt, er kernen i forbrugerelektronik. Endnu højere datatæthed kan opnås ved at øge følsomheden for magnetisk detektion-måske ned til nano-tesla-niveauer.

Større magnetisk følsomhed er også nyttig på mange videnskabelige områder, såsom identifikation af biomolekyler såsom DNA eller vira. Denne forskning skal ofte foregå i et varmt, vådt miljø, hvor rene forhold eller lave temperaturer ikke er mulige. JQI -forskere adresserer denne bekymring ved at udvikle en diamantsensor, der fungerer i et flydende miljø. Sensoren laver magnetiske kort (med en 17 mikro-tesla følsomhed) af små partikler (en stand-in for egentlige biomolekyler) med en rumlig opløsning på ca. 50 nm. Dette er sandsynligvis den mest følsomme magnetiske måling udført ved stuetemperatur i mikrofluidik.

Resultaterne af det nye eksperiment udført af JQI -videnskabsmand Edo Waks (professor ved University of Maryland) og hans medarbejdere vises i tidsskriftet NanoLetters .

Diamond NV centrerer

I hjertet af sensoren er en lille diamant nanokrystal. Denne diamant, når den bringes tæt på en magnetisk partikel, mens den samtidig bades i laserlys og et subtilt mikrobølgesignal, vil fluorescere på en måde, der er proportional med styrken af ​​partikelens eget magnetfelt. Således bruges lys fra diamanten til at kortlægge magnetisme.

Hvordan fungerer diamanten, og hvordan manøvreres partiklen tæt nok på diamanten til at blive scannet?

Diamant -nanokrystallet fremstilles i samme proces, som syntetiske diamanter dannes ved, i en proces kaldet kemisk dampaflejring. Nogle af diamanterne har små ufuldkommenheder, herunder lejlighedsvis nitrogenatomer, der erstatter carbonatomer. Nogle gange mangler et carbonatom helt fra den ellers tæt koordinerede diamantfaste struktur. I de tilfælde, hvor nitrogen (N) og tomrummet (V) er ved siden af ​​hinanden, en interessant optisk effekt kan forekomme. NV -kombinationen fungerer som en slags kunstigt atom kaldet et NV -farvecenter. Hvis du bliver bedt om den rigtige slags grøn laser, NV -centeret lyser. Det er, hvis vil absorbere grønt laserlys og udsende rødt lys, en foton ad gangen.

NV -emissionshastigheden kan ændres i nærvær af magnetfelter på mikroskopisk niveau. For at dette kan ske, selvom, NV -centerets interne energiniveauer skal være helt rigtige, og dette sker, når midten udsættes for signaler fra radiofrekvenskilden (vist i kanten af ​​figuren) og felterne, der udsendes af selve den nærliggende magnetiske partikel.

Partiklen flyder i en lav sø af deioniseret vandbaseret løsning i et setup kaldet en mikrofluidisk chip. Diamanten er fastgjort til bunden af ​​denne sø. Partiklen bevæger sig, og styres rundt om chippen, når elektroder, der er placeret i kanalerne, lokker ioner i væsken til at danne blide strømme. Som et skib, der sejler til Europa ved hjælp af Golfstrømmen, partiklen kører disse strømme med sub-micron kontrol. Partiklen kan endda manøvreres i lodret retning af en ekstern magnetisk spole (ikke vist på tegningen).

"Vi planlægger at bruge flere diamanter for at udføre kompleks vektorial magnetisk analyse., "siger kandidatstuderende Kangmook Lim, hovedforfatteren på udgivelsen. "Vi vil også bruge flydende diamanter i stedet for stationære, hvilket ville være meget nyttigt til scanning af nanomagnetisme af biologiske prøver. "