Fluorescent nanodiamonds for luminescent thermometry in the biological transparency window

Abstract

Fluorescent nanodiamonds (FNDs) have attracted recent interest for biological applications owing to their biocompatibility and photostability (absence of photoblinking and bleaching). For optical thermometry, nitrogen-vacancy (NV) color centers and silicon-vacancy color centers in diamonds have demonstrated potential, where the NV has the highest sensitivity. However, NV is often excited with green light, which can cause heating and photodamage to tissues, as well as autofluorescence that decreases sensitivity. To overcome these limitations, we report temperature sensing using NV centers excited by deep red light (660 nm), plus another color center that can be excited with NIR light; the nickel (Ni) complex. The NV center measures temperature using diamond lattice expansion while the Ni complex measures temperature using phonon sideband strength.

Optical Nanoscale Thermometry: From Fundamental Mechanisms to Emerging Practical Applications

“…Measuring intracellular temperature is a topic of intensive investigation in biophysics for it can help elucidate the dynamics of target metabolic processes inside living cells. The types of nanothermometers employed in this context include organic dyes, [194] fluorescent proteins, [195,196] polymers, [197] and inorganic nanoparticles [198][199][200][201][202][203][204] (cf. Sections 3.1-3.4).…”

“…Similar problems also affect fluorescent proteins, which are nonetheless desirable thanks to their ability to be genetically engineered to label specific biotargets. Conversely, inorganic nanoparticles, e.g., rare-earthdoped nanoparticles [198] and fluorescent nanodiamonds, [199][200][201][202][203][204] are considerably more photostable even under extensive laser excitation. They can thus be observed individually in living cells over extended periods of time.…”

“…Recently, fluorescent carbon nanoparticles-nanodiamonds [199][200][201][202][203][204] and carbon dots [205,206] -have been explored as suitable and promising nanosensors for thermometry. These nanoparticles are appealing for their inherent biocompatibility, low cyto-toxicity, and high photostability.…”

Источники Двухволнового Узкополосного Излучения На Основе Алмазных Наночастиц С Введенными Одновременно Центрами Окраски Германий-Вакансия И Кремний-Вакансия

“…Такие флуоресцентные алмазные наночастицы перспективны для применения в качестве источников двухволнового узкополосного излучения в люминесцентной нанотермометрии. Алмазные наночастицы с оптическими центрами окраски представляют интерес для создания наноразмерных оптических сенсоров с целью измерения локальных изменений температуры на клеточном уровне в биологических тканях [1][2][3][4][5][6]. Это обусловлено уникальными свойствами наноалмазов: биосовместимостью, химической стойкостью, возможностью проведения функционализации поверхности.…”

“…Центр Si V обладает большей (по сравнению с центром Ge V ) чувствительностью при измерении сдвига максимума БФЛ при изменении температуры ( λ/ T ∼ 0.012 nm/K для Si V и ∼ 0.009 nm/K для Ge V ) [3,6]. Максимум БФЛ центра окраски Si V находится в окне прозрачности биологических тканей и не перекрывается со спектральным диапазоном их автофлуоресценции, что позволяет проводить измерения при небольших мощностях излучения и таким образом минимизировать перегрев и фотоиндуцированные изменения биологических объектов [2].…”