Development of optical quantum sensors using fluorescent nanodiamonds

Abstract

Fluorescent nanodiamonds (FNDs) containing nitrogen-vacancy (NV) centers represent a powerful platform for quantum sensing in biological environments. The NV center is a specific type of defect in the diamond crystal lattice, exhibiting optically readable spin states that are highly sensitive to magnetic field fluctuations, which influence the T1 spin relaxation time of the NV center. In this work, we developed FND-based quantum sensors that rely on changes in T1 relaxation time as an indicator of the presence and spatial arrangement of nearby paramagnetic species. To control the positioning of paramagnetic labels, we used rigid DNA nanostructures as molecular rulers, allowing precise placement of the labels at defined distances from the FND surface. The FNDs were chemically activated and functionalized with these DNA constructs designed to ensure structural integrity of the spin labeling system, colloidal stability, and suitability for relaxometry measurements. As the paramagnetic labels, we used gadolinium ions (Gd3+ ), which generate magnetic noise that leads to shortening of the T1 relaxation time depending on their concentration and proximity to the NV centers. We successfully synthesized a series of FND constructs with varied spatial arrangements and densities of adjacent gadolinium spin...

Fluorescenční nanodiamanty (FND) obsahující mřížkové defekty typu dusík-vakance (NV centra) představují silný základ pro kvantové senzory použitelné v biologickém prostředí. NV centrum je specifický typ defektu v krystalové mřížce diamantu, který vykazuje opticky snímatelné spinové stavy vysoce citlivé na fluktuace magnetického pole. Tyto fluktuace ovlivňují T1 relaxační čas NV centra. V této práci jsme vyvinuli kvantové senzory založené na fluorescenčních nanodiamantech, které využívají změny relaxačního času T1 jako indikátor přítomnosti a prostorového uspořádání okolních paramagnetických látek. Pro nastavení pozice paramagnetických značek jsme využili rigidní DNA nanostruktury jako molekulární pravítka, která umožňují přesné umístění značek do definovaných vzdáleností od povrchu FND. Nanodiamanty byly chemicky aktivovány a funkčně upraveny těmito DNA konstrukty za účelem zajištění strukturní integrity výsledného systému, koloidní stability a vhodnosti pro relaxometrická měření. Jako paramagnetické značky byly použity ionty gadolinia (Gd3+ ), které generují magnetický šum vedoucí ke zkrácení relaxačního času T1 v závislosti na jejich koncentraci a vzdálenosti od NV center. Úspěšně jsme syntetizovali sérii FND konstrukcí s různým prostorovým uspořádáním a hustotou přilehlých spinových značek a...