Development of optically detected magnetic resonance techniques for intracellular magnetic and temperature sensing

Abstract

Quantum computing and quantum sensing are technologies of the second quantum revolution occurring during our lifetime. The research developed in this thesis is focused on the latter as it explores the quantum metrology capabilities of Nitrogen-Vacancy (NV) centers in diamond. The unique NV defect is composed of a vacancy and a neighboring nitrogen atom in the crystal lattice, forming a single spin system. The NV center sensing properties are attributed to its spin that is susceptible to external physical properties such as magnetic fields and temperature and, more importantly, can be optically manipulated and read out. Within the framework of this thesis, the exploration and application of such a system in the biomedical context is enabled by the development of two live cell compatible setups with Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) capabilities. A confocal setup with both ODMR and Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM) functionalities and a Widefield/ Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) microscope. The sensitivities of distinct diamond photonic platforms for both magnetic field and temperature sensing are determined. The capabilities of NV centers to measure magnetic fields with nanoscale resolution are employed to explore the remanent magnetization of nanoparticle aggregates fabricated for magnetic hyperthermia-based cancer therapy. Magnetic nanoparticles aggregates are deposited on top of bulk diamonds with a shallow implanted NV center layer and the ODMR read out allows reconstructing magnetic field maps at high spatial resolution down to 500 nm. While a multitude of intracellular thermometers based on fluorescence responses have been proposed, the ideal thermometer has yet to be developed. In this thesis, fluorescence lifetime parameters of photostable nanodiamonds are identified as a reliable nanothermometer allowing temperature mapping across cells. This methodology is for the first time successfully deployed in intracellular environments to monitor temperature shifts during optical hyperthermia treatments using plasmonic nanorods in a silica shell as local heat sources. Further, the research performed in this thesis takes a step into applying nanodiamonds in neuroscience research. With the long-term goal of recording communication patterns between neuronal cells via the detection of magnetic field variations created by the action potential transit, fluorescent nanodiamonds are functionalized to target specific areas of neurons. The functionalization is proven by different methodologies and the biocompatibility is investigated. Finally, the hybrid nanodiamond systems are shown to have increased incidence with the cell locations and the first reported ODMR TIRF experiments on such quantum nanosensors are presented.

Los centros de vacío de nitrógeno (NV) son defectos en la red del diamante y son uno de los sistemas cuánticos más estudiados y utilizados para la metrología cuántica. Exhiben largos tiempos de coherencia y alta estabilidad óptica incluso a temperatura ambiente, lo que los hace perfectos para mediciones a nanoescala con resolución a nanoescala en varios campos de investigación, incluidos materiales y áreas biomédicas. A pesar de que estos sistemas se han estudiado exhaustivamente en la última década, aún existen muchas incertidumbres con respecto a su estructura electrónica y una cierta falta de investigación derivada de la aplicación. Las técnicas experimentales utilizadas junto con estos sistemas cuánticos para medir las propiedades físicas a nanoescala se describen como Resonancia Magnética Detectada Ópticamente (ODMR). Las mediciones de ODMR se pueden realizar en modo de onda continua o pulsada y usan luz láser y microondas para manipular la población de los estados cuánticos que tienen diferentes propiedades de fluorescencia. La investigación planificada en este doctorado pretende contribuir en diferentes direcciones; en el trabajo teórico relacionado con los protocolos ODMR y la manipulación de los estados cuánticos utilizados para las mediciones cuánticas y también en el campo de la aplicación, más específicamente utilizando nanodiamantes con centros NV para estudiar, mapear y monitorear propiedades físicas intracelulares tales como campos magnéticos, temperatura y / o potenciales de acción en las neuronas. Se ha demostrado que los centros de NV tienen la capacidad de detectar propiedades físicas intracelulares, pero nunca se han utilizado para estudiar enfermedades neurodegenerativas. La investigación que se llevará a cabo durante los próximos tres años pretende ser un escalón no solo en la investigación de los centros de NV, sino también estimular el uso de sistemas cuánticos para estudiar, comprender y monitorear las propiedades relacionadas con la investigación biológica y biomédica.

Os centros de vacância de nitróxeno (NV) son defectos na rede de diamantes e son un dos sistemas cuánticos máis estudados e usados para a metroloxía cuántica. Presentan longos tempos de coherencia e alta estabilidade óptica mesmo a temperatura ambiente, o que os fai perfectos para medicións nanométricas con resolución nanométrica en varios campos de investigación, incluíndo materiais e áreas biomédicas. Aínda que estes sistemas foron estudados exhaustivamente na última década, aínda hai moita incerteza en canto á súa estrutura electrónica e unha certa falta de investigación derivada da aplicación. As técnicas experimentais empregadas en conxunto con estes sistemas cuánticos para medir as propiedades físicas en nanoescala descríbense como Resonancia magnética de detección óptica (ODMR). As medicións do ODMR pódense realizar en modas de onda continua ou pulsadas e usan luz láser e microondas para manipular a poboación dos estados cuánticos que teñen diferentes propiedades de fluorescencia. A investigación prevista neste Doutoramento pretende contribuír en diferentes direccións; no traballo teórico sobre protocolos ODMR e manipulación de estados cuánticos empregados para as medidas cuánticas e tamén no campo da aplicación, máis específicamente usando nanodiamantes con centros NV para estudar, cartografar e controlar propiedades físicas intracelulares como campos magnéticos, temperatura e / ou potenciais de acción en neuronas. Os centros NV teñen a capacidade de detectar propiedades físicas intracelulares, pero nunca se empregaron para estudar enfermidades neurodexenerativas. A investigación que se levará a cabo durante os próximos tres anos pretende ser un trampolín non só na investigación dos centros NV, senón tamén para estimular o uso de sistemas cuánticos para estudar, comprender e controlar as propiedades relacionadas coa investigación biolóxica e biomédica.