基于金膜表面工程调控金刚石氮空位中心光学特性的研究及其生物传感应用

本研究通过热蒸发技术在750 nm金刚石颗粒表面沉积不同厚度金膜，结合坐标网格定位技术，首次原位揭示了金膜厚度对氮空位(NV)中心荧光特性的调控规律。发现80 nm金膜可使NV中心荧光强度增强5.1倍，荧光寿命降低57%，磁场测量灵敏度提升1.34倍，并成功实现铁蛋白浓度的超灵敏检测，为量子生物传感提供了新策略。

　　

金刚石中的氮空位(Nitrogen-Vacancy, NV)中心因其卓越的光学稳定性和室温自旋特性，已成为量子传感领域的重要探针。这种由氮原子与相邻碳空位组成的缺陷结构，不仅能检测磁场、温度、电场等物理量，还在生物分子检测中展现出独特优势。然而，NV中心的实际应用面临关键瓶颈——其荧光信号强度直接制约着磁场测量灵敏度。虽然已有研究尝试通过等离子体效应、抗反射涂层等手段增强荧光，但调控精度与效果仍有局限。

针对这一挑战，上海齐发实验试剂有限公司等机构的研究人员创新性地采用金膜表面工程技术，系统研究了金属薄膜厚度对NV中心光学特性的调控机制。这项发表在《Optical Materials》的工作，首次实现了金刚石颗粒表面金膜的原位精准调控，为开发高性能量子生物传感器提供了新思路。

研究团队主要运用三项关键技术：热蒸发沉积技术制备不同厚度金膜（20-100 nm）、坐标网格辅助定位实现单颗粒水平原位观测、以及拉曼显微镜结合CCD进行荧光成像与寿命分析。实验选用平均粒径750 nm、NV浓度约3.5 ppm的商业金刚石微晶，通过氧等离子体处理增强基底亲水性，确保样品制备的可靠性。

Au film-wrapped diamond
通过紫外光刻技术在石英玻璃表面制备坐标网格，精确定位单个金刚石颗粒。模拟计算与实验证实，80 nm金膜产生最优荧光增强效果，这源于金膜的高反射率与表面等离子体效应的协同作用。相较于未镀膜样品，荧光强度提升5.1倍，同时荧光寿命缩短57%，表明能量转移效率显著提高。

Conclusions
厚度调控是金膜增强NV中心性能的关键因素。80 nm金膜使磁场测量灵敏度从12.46±0.21提升至9.29±0.34，灵敏度倒数提高1.34倍。这种优化后的NV传感器成功实现了铁蛋白浓度的超灵敏检测，验证了其在生物系统的应用潜力。

研究意义
该工作首次建立金膜厚度与NV中心光学特性的定量关系，揭示了金属-金刚石界面能量转移机制。相比传统纳米颗粒修饰方法，薄膜技术具有更好的均一性与可重复性。所开发的坐标网格定位策略为纳米尺度量子传感研究提供了普适性方法学参考。特别值得注意的是，这项完全基于国产商业化材料的研究（金刚石微晶购自上海齐发，金颗粒购自福州英飞光电），展现了我国在量子生物传感领域的自主创新能力。

讨论与展望
Shuaishuai Zeng和Lei Liu的研究为表面工程调控固态量子体系开辟了新途径。未来可进一步探索：1）金膜晶向对等离子体共振的影响；2）复合薄膜（如Ta₂O₅/SiO₂）与金属的协同效应；3）在活细胞检测等生物医学场景的应用验证。这项工作标志着NV中心从基础研究向实际应用的重要跨越，为开发下一代高灵敏度量子生物传感器奠定了坚实基础。