水环境中光镊捕获纳米金刚石弛豫测量法检测纳摩尔级顺磁自旋

在水环境中探测电学和磁学性质仍然是纳米尺度传感领域的前沿挑战。我们无法以定量精度做到这一点，严重限制了我们对从新型材料到活细胞等多种系统中离子环境的理解。荧光纳米金刚石（FNDs）中的氮-空位（NV）中心已成为在纳米尺度上传感温度、pH 值和顺磁物质浓度的良好候选者，但也面临若干障碍，例如颗粒间的差异导致校准测量困难，以及在水环境中紧密限制和精确定位传感器的挑战。为了解决这个问题，我们展示了利用光学捕获的FNDs中的NV中心进行弛豫测量。在一项原理验证实验中，我们证明光学捕获的FNDs能够对顺磁离子（\mathrm{Gd}^{3+}）实现高度可重复的纳摩尔级灵敏度。我们通过设计一个类似于纳米尺度朗缪尔吸附结合自旋相干动力学的模型，捕捉了实验数据的三个不同阶段。我们的工作为在生物学相关条件下感应自由顺磁离子和分子提供了途径基础。