CN105137371B - 一种芯片级金刚石nv‑色心磁成像装置及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种芯片级金刚石NV‑色心磁成像装置及成像方法，实现物体二维表面的超精细磁场成像，如生物细胞的磁图像。该方法通过激光脉冲和微波脉冲的极化，在外磁场中的金刚石的NV‑色心中产生的荧光，再次利用激光脉冲产生荧光，两次荧光的差分结果能反映NV‑色心所处的磁场强度，实现磁场信息到光学信息的转换，再利用纳米级凸透镜组和分布式光学成像单元将光学信号转化为电信号。该方法还涉及一种封装方法将整个系统封装芯片量级，包括温度控制和电磁屏蔽。在生物医学研究以及医疗诊断等领域有着重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明设计一种芯片级金刚石NV-色心磁成像装置及方法，实现二维表面的超精明磁场成像，可服务于生物细胞的磁图像研究以及医疗影像检测等相关领域。
背景技术
现有的生物成像技术在应用过程中，由于检测分辨率或检测灵敏度的不足，不仅难以满足活体组织观测与细胞病理分析等研究领域的需要，甚至延误了包括癌症在内的多种疾病的早期发现与治疗。在现有微尺度成像领域中，可用于生物成像的成像技术大可分为光学成像、光电成像和磁场测量成像三种。其中，光学成像具有需要有创的样品提取过程以及其空间分辨率受到光波长度的限制等缺点。光电成像技术如CT、OCT等以及磁场测量成像如基于碱金属原子自旋的无自旋交换弛豫(spin-exchange relaxation free,SERF)原子磁强计、超导量子干涉(superconducting quantum interference device,SQUID)磁强计、玻色-爱因斯坦凝聚体 (Bose-Einstein Condensates,BEC)磁强计、窄带宽磁共振力显微镜(narrow band magnetic resonance forcemicroscopy,MRFM)等，虽然可以实现无创测量，但在空间分辨率方面很难突破几十微米的量级。SQUID、BEC以及MRFM技术均需要在超低温环境下工作，因此，该三项技术在体积、造价等方面存在着弊端，更重要的是，其磁场测量灵敏度与空间分辨率均被NV－色心金刚石弱磁场测量技术所超越。在诸多NV－色心金刚石弱磁场测量技术中，广域阵列磁强计技术与块状金刚石微尺度磁场传感器技术因分别具有较高的空间分辨率与磁场测量灵敏度，得到了该领域研究学者的广泛关注。在此背景下，由于金刚石色心用于磁场测量所达到的空间分辨率极高，现在没有较好的收集测量办法对其进行超高空间分辨率检测。同时，由于其需要激光极化、温度及磁场环境控制，所以较难实现小型化。
基于金刚石NV-色心的磁场测量已经被磁场测量领域所认可，并且已经获得了初步成功，目前主要使用单个NV-色心作为磁场探针进行磁场扫描成像，但是该方法具有空间分辨率与测量的实时性之间的矛盾。同时，也有研究学者提出通过CCD成像的方法直接对高浓度NV-色心金刚石进行磁场测量成像，但是该方法只用到了NV-色心金刚石的超高磁场测量灵敏度的优点，磨灭了NV-色心金刚石的超高空间分辨率的优点，使空间分辨率降低为CCD 成像单元大小。不仅如此，该研究也仅限于实验室平台阶段，还未实现小型化应用领域。
发明内容
本发明技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种能够在芯片级的基于金刚石色心的表面磁成像装置及成像方法，具有体积小，反应速度快，分辨率高，检测精度高等优点，具有实际应用的可能。
本发明采用的技术方案为：一种芯片级金刚石NV-(negative charged nitrogen-vacancy center)色心磁成像装置，其特征在于：其包括外部封装环境、含有NV-色心的金刚石、微波、激光器及激光脉冲开关、二向色滤光膜、纳米凸透镜组、分布式光学成像单元、偏置磁场，一层二向色滤光膜制作在含有NV-色心的金刚石下表面，该膜能阻隔532nm的极化激光，使637nm左右荧光透过，金刚石上表面与待测样品接触，偏置磁场提供磁环镜，532nm激光通过激光脉冲开关将激光调制成脉冲激光，并和微波分别从侧面进入金刚石，极化NV-色心并实现检测，金刚石下表面通过多组纳米凸透镜放大NV-色心产生的荧光，射入分布式光学成像单元成像输出，除金刚石上表面，均利用封装技术与外界隔离，实现控温与电磁隔离。
所述含有NV-色心的金刚石为1b高浓度的NV-色心金刚石，NV-色心在金刚石内部分布均匀。
所述的微波能以2.87GHz脉冲形式操控NV-色心。
所述的纳米凸透镜组(7)利用纳米液滴结合化学腐蚀法制作出纳米凹透镜，再利用高于玻璃折射率、透光率80％以上高透光率的聚合物与纳米凹透镜结合，达到纳米凸透镜的效果，实现在纳米尺度上较小空间提供数十倍放大倍数，将纳米或亚纳米级空间分辨率的金刚石色心测量信号放大到可以利用分布式光学成像单元(9)检测的程度。
所述的激光器(5)及激光脉冲开关(12)产生532nm激光并能以脉冲形式放出。
所述外部封装环境(2)采用微型导热管进行温度稳定控制，利用坡莫合金、锰锌铁氧体物质制作外壳实现电磁屏蔽。
一种芯片级金刚石NV-色心磁成像方法，实现如下：通过电源模块(14)给成像装置供电，外部主控芯片(16)通过控制信号线(13)发送开始工作信号；532nm的激光器(5) 及激光脉冲开关(12)和极化微波(4)，偏置磁场(10)开始工作，极化并操控NV-色心，使NV-色心产生荧光(8)，荧光(8)首先通过二向色滤光膜(6)，二向色滤光膜(6)起到阻隔532nm的极化激光(11)的作用，荧光(8)接着经过纳米凸透镜组(7)放大，被分布式光学成像单元(9)接受，并成像，将图像通过数据信号线(15)传送到外部主控芯片(16)，外部主控芯片(16)芯片通过两次极化激光(11)产生的荧光(8)的差分处理即可得到磁场的分布。
本发明技术方案的原理是：实现物体二维表面的超精细磁场成像，如生物细胞的磁图像。通过激光脉冲和微波脉冲的极化，在外磁场中的金刚石NV-色心产生的极化荧光，再次利用激光脉冲产生荧光，两次荧光的差分结果能反映NV-色心所处的磁场强度。由于NV-色心的浓度较高，其空间分辨率可以达到纳米甚至亚纳米级，必须通过纳米透镜组将其放大，直至可以被分布式光学成像单元检测为止。本发明有极高的灵敏度和空间分辨率，可用来做纳米级的磁场分布检测。
本发明还涉及一种封装方法将整个系统封装芯片量级，包括温度控制和电磁屏蔽。在生物医学研究以及医疗诊断等领域有着重要的应用价值。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)芯片级的封装，体积小，可以作为模块集成到仪器中；
(2)反应速度快，实时性好，可观测磁场变化动态过程；
(3)分辨率高，NV-色心检测精度可达到纳米级，通过多层纳米凸透镜的放大，能够使得分布式光年成像单元模块也能达到相应精度；
(4)检测精度高，能够实现超精密级别的磁场测量。
附图说明
图1为本发明装置的内部结构图；
图2为本发明装置的外围系统图；
图3为本发明方法的工作原理流程图。
具体实施方式
下面通过附图以及具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的一种芯片级金刚石NV-色心磁成像装置包括外部封装环境2、含有NV-色心的金刚石3、微波4、532nm的激光器5及激光脉冲开关12、二向色滤光膜6纳米凸透镜7组、分布式光学成像单元9、偏置磁场10和极化激光11；一层二向色滤光膜6 制作在含有NV-色心的金刚石3下表面，该二向色滤光膜6能阻隔532nm的极化激光11，使637nm荧光8透过；NV-色心的金刚石3上表面与待测样品1接触，偏置磁场10提供外加磁环镜；532nm的激光器5和激光脉冲开关12将极化激光11调制成脉冲激光，并和微波 4分别从侧面进入含有NV-色心的金刚石3，极化NV-色心并实现检测，同时含有NV-色心的金刚石3下表面通过纳米凸透镜7组放大NV-色心产生的荧光8，荧光8射入分布式光学成像单元9成像输出，除含有NV-色心的金刚石上表面，均利用外部封装技术2与外界隔离，实现控温与电磁隔离。
如图2所示，电源模块14给成像装置供电，外部主控芯片16通过控制信号线13发送开始工作信号，532nm的激光器5及激光脉冲开关12和微波4，偏置磁场10开始工作，极化并操控NV-色心，使NV-色心产生荧光8，荧光8首先通过二向色滤光膜6，二向色滤光膜6起到阻隔532nm的极化激光11的作用，荧光8接着经过纳米凸透镜组7放大，被分布式光学成像单元9接受，并成像，将图像通过数据信号线15传送到外部主控芯片16，芯片通过两次极化激光11产生的荧光8的差分处理即可得到磁场的分布。
如图3所示，本发明成像方法的实现过程为：
(1)外部主控芯片16通过控制信号线13发送开始工作信号，系统开始工作；
(2)532nm的激光器5及激光脉冲开关12和微波4，偏置磁场10开始工作，极化并操控NV-色心，使NV-色心产生荧光8；
(3)荧光8首先通过二向色滤光膜6，荧光8接着经过纳米凸透镜组7放大，被分布式光学成像单元9接受，并成像；
(4)将结果通过数据信号线15传送到外部主控芯片16，两次结果差分得到结果。
Claims (6)
1.一种芯片级金刚石NV-色心磁成像装置，其特征在于：包括外部封装环境(2)、含有NV-色心的金刚石(3)、微波(4)、激光器(5)及激光脉冲开关(12)、二向色滤光膜(6)纳米凸透镜组(7)、分布式光学成像单元(9)、偏置磁场(10)和极化激光(11)；一层二向色滤光膜(6)制作在含有NV-色心的金刚石(3)下表面，该二向色滤光膜(6)能阻隔532nm的极化激光(11)，使637nm荧光(8)透过；含有NV-色心的金刚石(3)上表面与待测样品(1)接触，偏置磁场(10)提供外加磁环镜；激光器(5)和激光脉冲开关(12)将极化激光(11)调制成脉冲激光，并和微波(4)分别从侧面进入含有NV-色心的金刚石(3)，极化NV-色心并实现检测，同时含有NV-色心的金刚石(3)下表面通过纳米凸透镜组(7)放大NV-色心产生的荧光(8)，荧光(8)射入分布式光学成像单元(9)成像输出，除含有NV-色心的金刚石上表面，均利用外部封装环境(2)与外界隔离，实现控温与电磁隔离；
所述的纳米凸透镜组(7)利用纳米液滴结合化学腐蚀法制作出纳米凹透镜，再利用高于玻璃折射率、透光率80％以上高透光率的聚合物与纳米凹透镜结合，达到纳米凸透镜的效果，实现在纳米尺度上较小空间提供数十倍放大倍数，将纳米或亚纳米级空间分辨率的金刚石色心测量信号放大到可以利用分布式光学成像单元(9)检测的程度。
2.根据权利要求1所述的芯片级金刚石NV-色心磁成像装置，其特征在于：所述含有NV-色心的金刚石(3)为1b高浓度的NV-色心金刚石，NV-色心在金刚石内部分布均匀。
3.根据权利要求1所述的芯片级金刚石NV-色心磁成像装置，其特征在于：所述的微波(4)能以2.87GHz脉冲形式操控NV-色心。
4.根据权利要求1所述的芯片级金刚石NV-色心磁成像装置，其特征在于：所述的激光器(5)及激光脉冲开关(12)产生532nm激光并能以脉冲形式放出。
5.根据权利要求1所述的芯片级金刚石NV-色心磁成像装置，其特征在于：所述外部封装环境(2)采用微型导热管进行温度稳定控制，利用坡莫合金、锰锌铁氧体物质制作外壳实现电磁屏蔽。
6.一种芯片级金刚石NV-色心磁成像方法，其特征在于：通过电源模块(14)给权利要求1所述的成像装置供电，外部主控芯片(16)通过控制信号线(13)发送开始工作信号；激光器(5)及激光脉冲开关(12)和微波(4)，偏置磁场(10)开始工作，极化并操控NV-色心，使NV-色心产生荧光(8)，荧光(8)首先通过二向色滤光膜(6)，二向色滤光膜(6)起到阻隔532nm的极化激光(11)的作用，荧光(8)接着经过纳米凸透镜组(7)放大，被分布式光学成像单元(9)接受，并成像，将图像通过数据信号线(15)传送到主控芯片(16)，主控芯片(16)通过两次极化激光(11)产生的荧光(8)的差分处理即可得到磁场的分布。
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| CN105137371A (zh) | 2015-12-09 |
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |