色心磁成像裝置及成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明設(shè)計(jì)一種芯片級(jí)金剛石NV色心磁成像裝置及方法，實(shí)現(xiàn)二維表面的超精明磁場(chǎng)成像，可服務(wù)于生物細(xì)胞的磁圖像研究以及醫(yī)療影像檢測(cè)等相關(guān)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的生物成像技術(shù)在應(yīng)用過程中，由于檢測(cè)分辨率或檢測(cè)靈敏度的不足，不僅難以滿足活體組織觀測(cè)與細(xì)胞病理分析等研究領(lǐng)域的需要，甚至延誤了包括癌癥在內(nèi)的多種疾病的早期發(fā)現(xiàn)與治療。在現(xiàn)有微尺度成像領(lǐng)域中，可用于生物成像的成像技術(shù)大可分為光學(xué)成像、光電成像和磁場(chǎng)測(cè)量成像三種。其中，光學(xué)成像具有需要有創(chuàng)的樣品提取過程以及其空間分辨率受到光波長(zhǎng)度的限制等缺點(diǎn)。光電成像技術(shù)如CT、OCT等以及磁場(chǎng)測(cè)量成像如基于堿金屬原子自旋的無自旋交換弛豫(spin-exchange relaxat1n free, SERF)原子石茲強(qiáng)計(jì)、超導(dǎo)量子干涉(superconducting quantum interference device, SQUID)石茲強(qiáng)計(jì)、玻色-愛因斯坦凝聚體(Bose-Einstein Condensates, BEC)磁強(qiáng)計(jì)、窄帶寬磁共振力顯微鏡(narrow band magnetic resonance forcemicroscopy, MRFM)等，雖然可以實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)測(cè)量，但在空間分辨率方面很難突破幾十微米的量級(jí)。SQUID、BEC以及MRFM技術(shù)均需要在超低溫環(huán)境下工作，因此，該三項(xiàng)技術(shù)在體積、造價(jià)等方面存在著弊端，更重要的是，其磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度與空間分辨率均被附_色心金剛石弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)所超越。在諸多NV_色心金剛石弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)中，廣域陣列磁強(qiáng)計(jì)技術(shù)與塊狀金剛石微尺度磁場(chǎng)傳感器技術(shù)因分別具有較高的空間分辨率與磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度，得到了該領(lǐng)域研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。在此背景下，由于金剛石色心用于磁場(chǎng)測(cè)量所達(dá)到的空間分辨率極高，現(xiàn)在沒有較好的收集測(cè)量辦法對(duì)其進(jìn)行超高空間分辨率檢測(cè)。同時(shí)，由于其需要激光極化、溫度及磁場(chǎng)環(huán)境控制，所以較難實(shí)現(xiàn)小型化。
[0003]基于金剛石NV色心的磁場(chǎng)測(cè)量已經(jīng)被磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域所認(rèn)可，并且已經(jīng)獲得了初步成功，目前主要使用單個(gè)NV色心作為磁場(chǎng)探針進(jìn)行磁場(chǎng)掃描成像，但是該方法具有空間分辨率與測(cè)量的實(shí)時(shí)性之間的矛盾。同時(shí)，也有研究學(xué)者提出通過CCD成像的方法直接對(duì)高濃度NV色心金剛石進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量成像，但是該方法只用到了 NV色心金剛石的超高磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，磨滅了 NV色心金剛石的超高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)，使空間分辨率降低為CCD成像單元大小。不僅如此，該研究也僅限于實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)階段，還未實(shí)現(xiàn)小型化應(yīng)用領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明技術(shù)解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠在芯片級(jí)的基于金剛石色心的表面磁成像裝置及成像方法，具有體積小，反應(yīng)速度快，分辨率高，檢測(cè)精度尚等優(yōu)點(diǎn)，具有實(shí)際應(yīng)用的可能。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種芯片級(jí)金剛石NV (negative chargednitrogen-vacancy center)色心磁成像裝置，其特征在于:其包括外部封裝環(huán)境、含有NV色心的金剛石、微波、激光器及激光脈沖開關(guān)、二向色濾光膜、納米凸透鏡組、分布式光學(xué)成像單元、偏置磁場(chǎng)，一層二向色濾光膜制作在含有NV色心的金剛石下表面，該膜能阻隔532nm的極化激光，使637nm左右熒光透過，金剛石上表面與待測(cè)樣品接觸，偏置磁場(chǎng)提供磁環(huán)鏡，532nm激光通過激光脈沖開關(guān)將激光調(diào)制成脈沖激光，并和微波分別從側(cè)面進(jìn)入金剛石，極化NV色心并實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，金剛石下表面通過多組納米凸透鏡放大NV色心產(chǎn)生的熒光，射入分布式光學(xué)成像單元成像輸出，除金剛石上表面，均利用封裝技術(shù)與外界隔離，實(shí)現(xiàn)控溫與電磁隔離。
[0006]所述含有NV色心的金剛石為Ib高濃度的NV色心金剛石，NV色心在金剛石內(nèi)部分布均勻。
[0007]所述的微波能以2.87GHz脈沖形式操控NV色心。
[0008]所述的納米凸透鏡(7)組利用納米液滴結(jié)合化學(xué)腐蝕法制作出納米凹透鏡，再利用高于玻璃折射率、透光率80%以上高透光率的聚合物與納米凹透鏡結(jié)合，達(dá)到納米凸透鏡的效果，實(shí)現(xiàn)在納米尺度上較小空間提供數(shù)十倍放大倍數(shù)，將納米或亞納米級(jí)空間分辨率的金剛石色心測(cè)量信號(hào)放大到可以利用分布式光學(xué)成像單元(9)檢測(cè)的程度。
[0009]所述的激光器(5)及激光脈沖開關(guān)(12)產(chǎn)生532nm激光并能以脈沖形式放出。
[0010]所述外部封裝環(huán)境(2)采用微型導(dǎo)熱管進(jìn)行溫度穩(wěn)定控制，利用坡莫合金、錳鋅鐵氧體物質(zhì)制作外殼實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽。
[0011]—種芯片級(jí)金剛石NV色心磁成像方法，實(shí)現(xiàn)如下:通過電源模塊(14)給權(quán)利要求I所述的成像裝置供電，外部主控芯片(16)通過控制信號(hào)線(13)發(fā)送開始工作信號(hào)；532nm的激光器(5)及激光脈沖開關(guān)(12)和極化微波(4)，偏置磁場(chǎng)(10)開始工作，極化并操控NV色心，使NV色心產(chǎn)生熒光(8)，熒光(8)首先通過二向色濾光膜(6)，二向色濾光膜(6)起到阻隔532nm的極化激光(11)的作用，熒光⑶接著經(jīng)過納米凸透鏡(7)組放大，被分布式光學(xué)成像單元(9)接受，并成像，將圖像通過數(shù)據(jù)信號(hào)線(15)傳送到外部主控芯片(16)，外部主控芯片(16)芯片通過兩次極化激光(11)產(chǎn)生的熒光(8)的差分處理即可得到磁場(chǎng)的分布。
[0012]本發(fā)明技術(shù)方案的原理是:實(shí)現(xiàn)物體二維表面的超精細(xì)磁場(chǎng)成像，如生物細(xì)胞的磁圖像。通過激光脈沖和微波脈沖的極化，在外磁場(chǎng)中的金剛石NV色心產(chǎn)生的極化熒光，再次利用激光脈沖產(chǎn)生熒光，兩次熒光的差分結(jié)果能反映NV色心所處的磁場(chǎng)強(qiáng)度。由于NV色心的濃度較高，其空間分辨率可以達(dá)到納米甚至亞納米級(jí)，必須通過納米透鏡組將其放大，直至可以被分布式光學(xué)成像單元檢測(cè)為止。本發(fā)明有極高的靈敏度和空間分辨率，可用來做納米級(jí)的磁場(chǎng)分布檢測(cè)。
[0013]本發(fā)明還涉及一種封裝方法將整個(gè)系統(tǒng)封裝芯片量級(jí)，包括溫度控制和電磁屏蔽。在生物醫(yī)學(xué)研究以及醫(yī)療診斷等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0015](I)芯片級(jí)的封裝，體積小，可以作為模塊集成到儀器中；
[0016](2)反應(yīng)速度快，實(shí)時(shí)性好，可觀測(cè)磁場(chǎng)變化動(dòng)態(tài)過程；
[0017](3)分辨率高，NV色心檢測(cè)精度可達(dá)到納米級(jí)，通過多層納米凸透鏡的放大，能夠使得分布式光年成像單元模塊也能達(dá)到相應(yīng)精度；
[