荧光光谱仪应用 | 金刚石NV色心检测

1.1 NV色心概述：金刚石的量子缺陷工程

氮空位（Nitrogen-Vacancy，NV）色心是金刚石晶格中最重要的发光中心之一，由一个替代碳原子的氮原子与相邻的空位组成。这种原子尺度的"缺陷"却赋予了金刚石非凡的量子特性，使其成为量子技术领域的明星材料。NV色心存在两种电荷状态：中性NV?和负电NV?。其中NV?色心因其独特的电子自旋特性而备受关注，在量子计算、精密测量和生物成像等领域展现出巨大应用潜力。

1.2 荧光光谱技术原理术

荧光光谱仪的工作原理基于光致发光现象：当样品吸收光子跃迁到激发态后，通过辐射跃迁返回基态时发射荧光。

现代荧光光谱仪通常包含以下几个核心模块：

激发光源部分：采用半导体激光器提供特定波长的激发光。

光谱仪部分：能够分辨NV?（575 nm）和NV?（637 nm）的零声子线。

探头部分：传输激光至样品，并将样品信号传输至光谱仪。

(1) 高灵敏度：捕捉 “单个 NV 色心” 的信号

NV 色心的应用常需探测 “单量子体系”（如单个 NV 色心），其荧光信号极其微弱。荧光光谱仪能清晰捕捉 NV 色心的荧光信号。

(2) 高分辨率：区分 “相似信号” 的差异

NV?与 NV?的 ZPL 仅相差 62nm（575nm vs 637nm），且其荧光光谱中常伴随 “声子边带”（因晶格振动产生的宽峰），容易相互干扰。荧光光谱仪的波长分辨率可达到1nm 以下，能精准分离不同 NV 色心的特征峰。

(3) 宽适用性：适应不同场景的探测需求

无论是实验室的基础研究（如单 NV 色心自旋调控），还是产业线的批量检测（如 NV 色心金刚石晶圆的质量筛查），荧光光谱仪都能灵活适配。

(4) 非破坏性检测：样品无需预处理，适合贵重或不可逆处理材料

金刚石作为高价值材料，尤其是用于量子研究的 CVD 金刚石样本，往往不允许进行切割、化学处理等不可逆操作。荧光光谱仪采用 “无接触、无损伤” 的探测方式，仅通过激光激发与荧光收集获取数据，无需对样品进行任何预处理，能最大程度保留样品的完整性，确保后续实验或应用可正常开展。

• 量子计算与信息处理：荧光光谱仪通过解析NV?色心的自旋依赖荧光特性，实现了量子比特的初始化与读取，为构建室温运行的量子处理器提供了关键技术支持，其高灵敏度检测能力确保了量子态读写的准确性。

• 精密传感与测量技术：基于荧光光谱的NV色心表征使磁强计达到单电子自旋检测灵敏度，这项技术不仅推动了基础物理研究，更在地球物理勘探和材料分析等实际应用中展现出突破性的测量能力。

• 生物医学与纳米成像：荧光光谱技术通过跟踪纳米金刚石中NV色心的荧光信号，实现了活细胞内生物分子的实时动态观测，这种非侵入式成像方法为疾病诊断和药物研发提供了新的研究工具。

• 工业质量检测与材料分析：在工业生产中，荧光光谱可快速评估金刚石中NV色心的浓度分布与电荷状态，为量子器件的批量生产提供质量控制依据，这种高效无损的检测方法显著提升了材料研发效率。

• 前沿科学研究平台：荧光光谱仪在极端条件量子相变和天体物理模拟等前沿研究中发挥着重要作用，其精准表征能力帮助科学家利用NV色心探索自然界的深层物理规律。

(1) 测量系统组成

激光器：激光器是关键组成部分，具有方向性好、单色性佳、参数可精确控制、相干性强、强度大等特性。这些特性使得激光诱导荧光检测器的信噪比大大增强，能够提供高强度的激发光，以确保足够的分子被激发产生荧光信号，同时其良好的单色性有助于减少杂散光干扰，提高检测的选择性和灵敏度。

光谱仪：光谱仪是整个系统的核心部分，用于接收荧光信号并进行光电信号转化。

荧光探头：用于传输激光信号只样品，用于激发样品荧光信号，再收集样品发出的荧光信号，并传输至光谱仪。

定制采样附件：用于固定光纤探头，满足不同样品的测量需求。

(2) 系统搭建示意

使用激光诱导荧光光谱仪测试样品的荧光光谱，需要将荧光探头的尾端光纤分别与拉曼光谱仪主机的光谱仪接口和激光器接口相连，在再将探头放入可调节支架上，根据所测光谱数据调节探头与样品间的距离，选择最佳距离固定后测试样品的荧光光谱，详细搭建示意图如下。

表1 推荐配置

使用由如海光电提供的荧光光谱仪系统测试了不同NV色心浓度样品的荧光光谱，测试选用532nm激发波长的激光激发样品的荧光信号，设置激光功率为10mW，积分时间为500ms，测试了四种金刚石NV色心样品，实测图如下所示：

从图中可以看出，使用荧光光谱仪系统，可以精准测量金刚石NV色心中的荧光峰。