Ground-state depletion-nanoscopie van stikstof-vacaturecentra in Nanodiamonds

Inleiding

Stikstof-leegstand (\({\text{NV}}^{ - }\)) centrum in diamant, bestaande uit vervangende stikstof met een aangrenzende leegstand, heeft een brede belangstelling gewekt in verschillende wetenschappelijke en technologische gebieden, waaronder de meest opvallende als een kwantumgeheugen in toekomstige kwantumcomputers [1], een zeer gevoelige magnetometer [2] met toepassingen in biomedische beeldvorming van levende cellen [3] en van neuronenactiviteit [4], en als een sonde op atomaire schaal in verschillende beeldvormingsmethoden met superresolutie zoals gestimuleerde emissiedepletie (STED) microscopie en zijn spinvariant, een variant van grondtoestand depletie (GSD) microscopie [5,6,7] en stochastische lokalisatiemicroscopie met één molecuul (SMLM) met nanometrische spinlokalisatie [8]. Met name methoden die de diffractielimiet in fluorescentiemicroscopie verslaan, vertegenwoordigen een paradigmaverandering in de hedendaagse biomedische wetenschap [9] en \({\text{NV}}^{ - }\) in diamant heeft op dit gebied een relevante rol gespeeld als een nieuwe nanosonde. Vanwege de inertheid van diamant, hoge biocompatibiliteit, robuustheid en de fotostabiliteit van \({\text{NV}}^{ - }\) fotoluminescentie met hoge kwantumopbrengst, is het op grote schaal onderzocht voor toepassingen in de biomedische wetenschap en biofotonica [10, 11] en in hersenmicroscopie [12] ook in zijn nanostructuurvorm die bekend staat als nanodiamonds (NDs) [13, 14]. ND's behouden vergelijkbare NV-fluorescentie-eigenschappen van de gastheer-bulkdiamant met de voordelen dat ze meer compatibel zijn voor biowetenschappelijke superresolutie-beeldvormingstoepassingen [15]. Vanwege de inhomogeniteit in vormen en materiële stikstofdoping van de momenteel in massa geproduceerde fluorescerende ND's, die variabele eigenschappen van de NV induceren in vergelijking met bulkdiamant en vaak andere onzuiverheden bevatten, is beeldvorming met superresolutie met behulp van ND's over het algemeen uitdagender in vergelijking met bulkdiamant .

Beperkingen om superresolutiemethoden toe te passen op ND's in vergelijking met bulkdiamant met een betere zuiverheid zijn geassocieerd met de variabiliteit van de fotofysische eigenschappen van de \({\text{NV}}^{ - }\) als gevolg van inhomogeniteit van de NDs-stikstof concentratie, ladingsvallen en andere onzuiverhedenconcentratie.

Beeldvorming op nanoschaal van \({\text{NV}}^{ - }\) centra in ND's is aangetoond met STED-microscopie met een uitputtingsstraalvermogen van  > 650 mW om een ​​resolutie van 20 nm te bereiken [16, 17] (de maximale resolutie in bulk werd bereikt met een paar 3,7 GW/cm ² [5]); een beeldvormingsmodaliteit die resolutie op nanoschaal met optische intensiteiten in de orde van μW bereikt, is echter noodzakelijk voor bijvoorbeeld in vivo cellulaire beeldvorming op nanoschaal om fototoxiciteit te verminderen. ND's hebben het voordeel dat ze cellulaire labeling mogelijk maken, wat niet mogelijk is met het bulkplatform en is gebruikt voor beeldvorming met superresolutie van magnetisch veld met behulp van SMLM [18], dat minder fototoxisch is dan STED- of GSD-microscopie. Eerdere beeldvorming met superresolutie van \({\text{NV}}^{ - }\) in bulkdiamant met behulp van GSD werd bereikt door de grondtoestand uit te putten met een bundel met hoge intensiteit van 532 nm die de centra opwekte tot de luminescente toestand; daarom vindt uitputting van de grondtoestand plaats via de aangeslagen toestand [7]. Deze benadering vereiste echter ook zeer hoge optische intensiteiten om een ​​superresolutie te bereiken (meerdere GW/cm ² om een ​​resolutie van  < 10 nm te bereiken) en een algoritme voor beeldreconstructie om een ​​positief beeld te verkrijgen [19]. Superresolutie met laag vermogen is bereikt met behulp van een picoseconde gepulste laser die de ladingsconversie van \({\text{NV}}^{ - }\) in zijn neutrale laadtoestand induceert (\({\text{NV}}^{0 }\) met een fonon-lijn nul bij 575 nm) in bulkdiamant, bekend als nanoscopie met ladingstoestandconversie (CSD) [20, 21]; het gemiddelde vermogen van de uitputtingsstraal was echter 1 mW om een ​​resolutie van 12 nm te bereiken en het mechanisme lijkt materiaalafhankelijk te zijn, dat wil zeggen een ultralage stikstofconcentratie (lager dan 5 ppb [21]), die over het algemeen wordt bereikt in chemische dampafzetting van elektronische kwaliteit bulk diamant.

Een alternatieve benadering van GSD-nanoscopie van \({\text{NV}}^{ - }\) centra in bulkdiamant gebruikte de metastabiele donkere toestand om de grondtoestand uit te putten met veel lager vermogen via een langlevende metastabiele toestand, zoals oorspronkelijk voorgesteld in ref. [22] en voor het eerst gedemonstreerd in Ref. [23] in zoogdiercellen met behulp van organische kleurstof Atto532.

Het principe van GSD is de deactivering van de fluorescentie van een fluorescerende marker door middel van een benadering met twee stralen. De eerste straal is de excitatie- of sondestraal, die de fluorofoor naar de aangeslagen toestand exciteert, en de tweede straal is de inhibitiestraal, die de fluorescentie uitschakelt. De deactivering van fluorescentie wordt bereikt door de populatie van een fluorofoor tijdelijk op te schorten tot een metastabiele toestand of een langlevende triplettoestand. Optische overgangen tussen singlet-metastabiele toestanden en triplettoestanden vereisen een spin-flip en worden daarom optisch onderdrukt [23].

In ref. [24] werd GSD mogelijk gemaakt door het centrum continu van 25 naar 200 μW optisch vermogen te pompen van een CW rode laser (638 nm) die de \({\text{NV}}^{ - }\) in een niet- fluorescerende toestand door de langlevende metastabiele toestand te bevolken, waardoor de grondtoestand wordt uitgeput, terwijl een blauwe laser (476 nm) werd gebruikt om de donkere metastabiele toestand te legen die overgangen naar hogere energietoestanden induceerde. Hier wordt de 638 nm-laser ook gebruikt om het centrum te exciteren, zelfs als het niet efficiënt is, en het vervolgens in zijn metastabiele toestand op te bergen. \({\text{NV}}^{ - }\) vertoonde alleen een luminescentie bij excitatie met zowel blauwe als rode lasers. Een resolutie van 16 nm werd bereikt met 5 mW uitputtingslaservermogen, wat veel lager is dan wat werd gebruikt in STED of eerdere GSD. Een mogelijke beperking van deze methode kan de afhankelijkheid zijn van de eigenschappen van de metastabiele toestand van verschillende soorten diamant met minder of meer stikstofgehalte, of zelfs meer in ND's, waardoor de toepasbaarheid wordt beperkt. In ref. [24], de bulkdiamant was een type IIa-diamant van optische kwaliteit, wat overeenkomt met een stikstofconcentratie van 500 ppm, veel hoger dan het meer recente werk over CSD [21], dat gebaseerd is op een lage stikstofconcentratie (<-5 ppb) . De verklaring vermeld in Ref. [21] dat de donkere staat van Ref. [24] is de neutrale ladingstoestand van de \({\text{NV}}^{ - }\) die lijdt door niet te overwegen dat in hoge stikstofconcentratie de NV ^−/0 ladingsconversie wordt onderdrukt [25] en NV bevindt zich voornamelijk in de negatieve ladingstoestand; verder is de gemeten levensduur van de donkere toestand erg lang en kan deze niet worden toegeschreven aan een ladingsconversieproces. In feite is CSD nog niet bewezen in commerciële fluorescerende ND's (afkomstig van hoge druk en hoge temperatuur, HPHT, diamant) vanwege hun hoge stikstofconcentratie, ladingsinstabiliteit als gevolg van andere defecten en fotofysische variabele eigenschappen vanwege het ontbreken van materiaalcontrole.

Het mechanisme om GSD-nanoscopie vast te stellen is ook nog niet gerapporteerd met \({\text{NV}}^{ - }\) centra in ND's vanwege de hypothese dat CSD niet zou kunnen voorkomen in ND's.

In dit artikel laten we zien dat GSD kan worden uitgevoerd in ND's, wat de afhankelijkheid van GSD- en CSD-methoden van de diamantstikstofconcentratie aantoont en de noodzaak van ND's-materiaaltechniek voor specifieke superresolutie- en spindetectiemethoden oproept.

In dit artikel demonstreren we GSD-nanoscopie van \({\text{NV}}^{ - }\) centra in ND's met behulp van een vergelijkbaar aan/uit fluorescerend schakelmechanisme dat wordt bereikt door de elektronen in de langlevende metastabiele toestand te plaatsen met behulp van een benadering met drie bundels en het gebruik van 300 μW om de aangeslagen toestand volledig uit te putten en de maximale resolutie te bereiken. Hier laten we zien dat de eigenschappen van de \({\text{NV}}^{ - }\) in ND's de toepasbaarheid van deze methode niet beperken, zoals eerder werd gedacht [24]. Verder waren we in staat om twee \({\text{NV}}^{ - }\) centra te onderscheiden binnen dezelfde ND's zoals eerder getoond met behulp van SMLM [26] en STED-microscopie [17].

Om te onderbouwen dat het mechanisme van uitputting van de grondtoestand in ons werk te wijten is aan een donkerlevende metastabiele toestand in plaats van CSD, zullen we de belangrijkste recente resultaten samenvatten met betrekking tot de NV ^−/0 conversie van de laadtoestand. In dit verband met foto-inducerende ionisatie, recombinatie van de NV ^−/0 ladingstoestanden zijn grondig bestudeerd en bleken afhankelijk te zijn van de excitatiegolflengte [27, 28], met omschakeling van de ladingstoestand voor rode (of blauwe) laserexcitatie, met rode excitatie die werd gebruikt om de NV ⁻ te schakelen in zijn neutrale laadtoestand. Deze snelle schakeling die optreedt bij een laag laservermogen is gebruikt voor het implementeren van nanoscopie met uitputting van de ladingstoestand [21] en stochastische optische reconstructie-nanoscopie [8] alleen in bulkdiamant dat is gegroeid door chemische dampafzetting, waar de stikstofconcentratie goed wordt gecontroleerd en over het algemeen erg laag is. door groei bij lage temperatuur. Deze schakeldynamiek als gevolg van de excitatiegolflengte op basis van de conversie van de laadtoestand van de NV werd niet waargenomen in ND's [18, 26, 29], waar het knipperen het gevolg was van ladingsvallen veroorzaakt door mechanische schade tijdens het fabricageproces (in het algemeen crashende HPHT-hoge stikstof concentratie microdiamanten) of andere effecten geassocieerd met oxidatie [26, 29,30,31] of nabijheid van andere acceptoren onzuiverheden [18, 32], en als zodanig niet gerelateerd aan NV ^−/0 lading conversie. Er is ook aangetoond dat NV ⁻ ladingsconversie hangt ook sterk af van de concentratie van elektronendonoronzuiverheden in het diamantrooster, namelijk de negatieve toestandsconversie naar neutrale ladingstoestand wordt onderdrukt voor hoge concentratie van donoronzuiverheden (stikstof) concentratie [25]. Er is zelfs voorgesteld om donor en acceptoren in diamant te gebruiken om de NV-laadtoestand te stabiliseren [33]. De meeste van deze onderzoeken werden uitgevoerd in bulkdiamant en alleen recent werk [34] toonde aan dat de groei van ND's bij lage temperatuur een lagere stikstofopname mogelijk maakt, en als zodanig gedragen ND's zich als pure bulkdiamant met een sterke omschakeling van de ladingstoestand voor rood ( of blauw) laserexcitatie, terwijl groei bij hoge temperatuur met meer stikstofonzuiverheden deze ladingsconversie aanzienlijk onderdrukt.

In onze ND's hebben we NV ^−/0 . niet waargenomen ladingsconversie als gevolg van lasergolflengte-excitatie, en we schrijven de donkere toestand inderdaad toe aan de metastabiele toestand zoals eerder gedaan [24], ook gezien de grote omvang van de ND's die hier worden gebruikt (~  100 nm), zonder knipperen vanwege het oppervlak ladingstoestanden, naast hun hoge stikstofconcentratie. De hier bestudeerde ND's zijn commercieel afgeleid van HPHT-microdiamanten met een ten minste inhomogene stikstofconcentratie van 500 ppm. De metastabiele toestand in Ref. [24] wordt ook bewezen door de zeer lange levensduur van 150 s.

\({\text{NV}}^{ - }\) centra worden over het algemeen het best geëxciteerd met 532 of 561 nm, omdat ze een fononlijn nul hebben op 637 nm [35], wat overeenkomt met de overgang tussen een triplet-grondtoestand en geëxciteerde toestand, voornamelijk een spinbesparende overgang. Bovendien bestaat er een singlet-metastabiele toestand [36] waarover het centrum gaat via niet-stralingsverval. De optische overgangslevensduur van \({\text{NV}}^{ - }\) in ND's is ongeveer 22 ns [37], langer vergeleken met die in bulkdiamant van 12 ns [35].

Een excitatiestraal (sonde) op 594 nm bevordert de overgang van de grondtoestand naar de aangeslagen toestand, terwijl een uitputtingsstraal op 638 nm tijdelijk het elektron van \({\text{NV}}^{ - }\) centra van de aangeslagen toestand naar de metastabiele toestand via niet-stralende intersysteemkruising (figuur 1a). Het gebruik van 594 nm als sonde wordt gerechtvaardigd door de minimale verandering van de populatie in de donkere staat in vergelijking met de groene (meestal 532 of 561 nm) [24]. Deze methode verzadigt effectief de intersysteemkruising en maakt de grondtoestand leeg, waardoor excitatie in de aangeslagen toestand van \({\text{NV}}^{ - }\) centra en daaropvolgende emissie van fluorescentie wordt voorkomen, wanneer gesondeerd met 594 nm. Ten slotte vult een blauwe laser bij 488 nm de aangeslagen toestand opnieuw, waardoor het daaropvolgende snelle (ns) verval naar de grondtoestand wordt geremd [38].

een Principe van de GSD in \({\text{NV}}^{ - }\) in ND's met een sondestraal op 594 nm (geel), een uitputtingsstraal op 638 nm (rood) en een resetstraal op 488 nm ( blauw). GS-grondtoestand, ES-aangeslagen toestand en MS-metastabiele toestand van het NV-centrum. Illustratie van een NV-centrum in een nanodiamant. b Schematische weergave van de experimentele opstelling. Het systeem bestaat uit een zelfgebouwde confocale microscoop met drie lasers die werken op de golflengten van 488 nm, 594 nm en 638 nm. Een vortex-faseplaat bouwt de uitputtingsstraal van 638 nm ruimtelijk in een donutstraal om ervoor te zorgen dat de uitputting alleen rond het diffractiebeperkte gebied plaatsvindt. c Karakterisering van akoesto-optische modulatoren door de pulsaankomsttijden van elke laser te meten. d Schema van de pulssequentie die wordt gebruikt in GSD-nanoscopie. Het detectievenster wordt gesynchroniseerd met de sondestraal bij 594 nm om alleen relevante fluorescentie te verzamelen. De pulslengte van de 594 nm sondestraal werd geoptimaliseerd op 20 s, aangezien een kortere pulslengte zou resulteren in langere middelingstijden en langere pulslengtes zouden leiden tot minder efficiënte superresolutie-beeldvorming. De resetstraal van 488 nm is geoptimaliseerd op 20 μs, omdat het de voorkeur heeft om deze zo kort mogelijk te houden om de totale pulsreekstijd te verminderen, maar toch de langlevende metastabiele toestand effectief te legen

Net als bij STED wordt de uitputtingsstraal ruimtelijk gemanipuleerd tot een donutstraal in het transversale vlak om beeldvorming met superresolutie te bereiken [24]. De resolutie d van GSD-nanoscopie gehoorzaamt aan Vgl. [23]:

met NA aanduiding van de numerieke apertuur van de objectieflens, \(I_{{\text{s}}}\) de verzadigingsintensiteit waarbij de helft van de fluorescentie is uitgeput en \(I_{{\text{D}}}^{\ max }\) de maximale intensiteitswaarde van de piek die aan de nul grenst.

We hebben een beeldresolutie van 36 nm gemeten voor een enkel \({\text{NV}}^{ - }\) centrum in ND, afhankelijk van de intensiteit van de uitputtingsstraal. Verder zijn twee \({\text{NV}}^{ - }\) centra, gescheiden door 72 nm, opgelost. Ons werk is veelbelovend voor fluorescente nanoscopie in levende cellen met ND's die \({\text{NV}}^{ - }\) centra als biomarkers bevatten.

Experimentele methoden

Voor dit experiment werd een suspensie van hogedruk-hoge temperatuur (HPHT) ND's met een grootte van nominaal 100 nm [39, 40] gebruikt, met zuur gereinigd en verdund in MilliQ-oplossing. Een volume van 20 µl NDs-oplossing (1:200 verdund in MilliQ-water) werd druppelgegoten op met zuurstofplasma-aser gereinigd borosilicaatdekglaasje en aan de lucht gedroogd [37]. De experimentele opstelling voor GSD-nanoscopie bestond uit een zelfgebouwde confocale microscoop met twee continue golfdiodelasers met golflengten van 488 nm en 638 nm en een continue golf helium-neon (HeNe) laser met een golflengte van 594 nm. In elk van de bundelpaden werd een akoesto-optische modulator (AOM) geïnstalleerd om optische pulsen te creëren uit de continue lichtbundels en deze ten opzichte van elkaar te synchroniseren. Na verspreiding door de AOM's, ruimde een ruimtelijk filter de ruimtelijke bundelprofielen op. Een secundaire lens collimeerde elke bundel voor verdere voortplanting. Eerst werden de laserstralen met de golflengten van 488 nm en 638 nm ruimtelijk overlapt met behulp van een 532 nm lange-pass laser-flat dichroic (Semrock-LPD01 532R). Een secundaire dichroïsche (Semrock-R405/488/543/638) overlapte ruimtelijk alle drie de bundels door de golflengten van 488 nm en 638 nm te reflecteren en de golflengte van 594 nm door te geven. Het ruimtelijke bundelprofiel van de uitputtingsbundel met een golflengte van 638 nm werd met behulp van een faseplaat tot een donutbundel geconstrueerd. Verder werd een kwartgolfplaat voor het objectief geplaatst om circulaire polarisatie van de uitputtingsstraal te verzekeren. Een olie-immersieobjectief met hoge numerieke apertuur (NA = 1.4) werd gebruikt om de ND's in beeld te brengen. Een dichroïsche (Semrock-LP02-671RU-25) scheidde de fluorescentie van de \({\text{NV}}^{ - }\) centra van de excitatiegolflengten en leidde deze om naar een enkel foton Avalanche diode (SPCM-AQRH -14FC) detector via een single-mode vezel die werkt als een gaatje. De schematische weergave van de optische opstelling wordt getoond in Fig. 1b.

Gouden nanodeeltjes met een gemiddelde grootte van 40 nm werden op een glazen dekglaasje gegoten en in beeld gebracht om het ruimtelijke profiel van de uitputtingsstraal te onderzoeken. Er wordt een donutvormige puntspreidingsfunctie waargenomen met een ring van hoge intensiteit en een lokaal minimum in het midden (inzet van figuur 1b).

We hebben eerst de temporele respons van elke laserpuls onderzocht. De AOM's worden bestuurd via LabVIEW met behulp van een meerkanaals pulsgenerator (PulseBlasterESR-PRO) die de individuele temporele eigenschappen van elke laserstraal regelt, evenals de timing tussen de drie stralen. Vanwege verschillende optische padlengtes voor elk van de lasers, hebben optische pulsen die tegelijkertijd worden gegenereerd een enigszins verschoven aankomsttijd bij de detector. Hierdoor hebben we temporele controle over alle drie de laserstralen op een tijdschaal van minder dan microseconden.

Een stijg- en daaltijd van 60 ns werd gemeten voor de excitatiebundels (figuur 1c). De optische pulsen met de golflengten van 594 nm en 638 nm kwamen aan met een scheiding van 85 ns en 155 ns ten opzichte van de puls bij een golflengte van 488 nm. Elk van de laserpulsen genereert fluorescentie die afkomstig is van verschillende bronnen, waaronder het \({\text{NV}}^{ - }\) centrum, andere onzuiverheden in de ND en defecten in het glazen dekglaasje. Alleen fluorescentie gegenereerd door de excitatiebundel is relevant voor GSD-beeldvorming. De fluorescentie van andere laserpulsen draagt ​​bij aan de ruis van het fluorescentiebeeld. Om die reden wordt time-gating geïntroduceerd om fluorescentie te elimineren die wordt gegenereerd door andere laserpulsen dan de sondestraal. Dit wordt bereikt door de detectie af te stemmen op de pulsaankomsttijd van de sondestraal, de andere fluorescerende bronnen effectief uit te filteren en de signaal-ruisverhouding van de beeldvorming te vergroten.

Een typische pulssequentie voor GSD-nanoscopie en het detectievenster wordt gegeven in figuur 1d. Het uitschakelen van de \({\text{NV}}^{ - }\) centra fluorescentie werd bereikt door elektronen in de langlevende toestand te brengen met een uitputtingspuls bij de golflengte van 638 nm. Excitatie van \({\text{NV}}^{ - }\) centra in het subdiffractiegebied werd verzorgd door een puls met een golflengte van 594 nm, terwijl een puls met een golflengte van 488 nm de \({\text {NV}}^{ - }\) centreert zich terug in de aangeslagen toestand. Een pulsreeks werd 500-1000 keer herhaald om een ​​hoge signaal-ruisverhouding te garanderen. De pulslengtes lagen in het bereik van 10-20 μs voor de sondestraal (594 nm) en de resetstraal (488 nm). De optimale pulslengte van de uitputtingsstraal bleek  ~ 300 s te zijn (figuur 2d). De optimalisatie van de straalpulsduur is gebaseerd op Ref. [24]; er moet echter een meer systematische optimalisatie worden uitgevoerd om de uiteindelijke resolutie te verbeteren. Verwacht wordt dat de resolutie afhangt van de pulsduur van de inhibitiebundel, die wordt beperkt door de levensduur van de metastabiele toestand.

een De fluorescentie van een enkel \({\text{NV}}^{ - }\) centrum op basis van 488 nm en 638 nm excitatie. De gedetecteerde fluorescentie neemt toe wanneer beide lasers gelijktijdig het \({\text{NV}}^{ - }\) centrum exciteren. b Fluorescentie-afhankelijkheid van uitputtingskracht. Een illustratie van de pulssequentie wordt getoond in de inzet. Fluorescentie wordt alleen gedetecteerd wanneer de sondelaser op 594 nm is ingeschakeld. c Antibunching-curve van het \({\text{NV}}^{ - }\) centrum met een tweede-orde-correlatiefunctie < 0,5 een vertragingstijd van nul

Resultaten en discussie

Het aan/uit-schakelmechanisme werd onderzocht door een \({\text{NV}}^{ - }\) centrum onder de laserbronnen te exciteren bij de golflengten van 638 nm en 488 nm (Fig. 2a). Een toename van de fluorescentie-emissie van \({\text{NV}}^{ - }\) centra werd alleen gedetecteerd wanneer de twee bundels ruimtelijk overlappen. Dit emitterende gedrag werd begrepen, ervan uitgaande dat de straal bij een golflengte van 638 nm bij voorkeur elektronen in de langlevende toestand opschortte, terwijl de straal bij 488 nm spontane emissie mogelijk maakte (figuur 1a). We gingen uit van een levensduur voor de langlevende toestand van \({\text{NV}}^{ - }\) centra korter (de enige meting voor ND's is 33-127 ns vanaf ref.[38], terwijl de singlet-toestand overgang is 300 ns [41]) dan de levensduur van de metastabiele toestand in bulkdiamant (gemeten 150 s) [24] en veel langer dan de levensduur van de aangeslagen toestand [37].

Een enkel \({\text{NV}}^{ - }\) centrum werd geselecteerd met behulp van anti-bundeling (Fig. 2c) om het vermogen te bestuderen dat nodig is voor de uitputtingsstraal om de fluorescentie in de donutvorm effectief te doven [42] . Een straal met een golflengte van 594 nm werd toegevoegd om te onderzoeken of het enkele \({\text{NV}}^{ - }\) centrum zich in de aan- of uit-stand bevond. Figuur 2b toont de fluorescentie-afhankelijkheid van het geselecteerde \({\text{NV}}^{ - }\) centrum van de intensiteit van de uitputtingsstraal. Er werd een snelle afname van de fluorescentie waargenomen. Bij een uitputtingsvermogen van 151.2 μW werd het \({\text{NV}}^{ - }\) centrum effectief uitgeschakeld.

Hier demonstreren we, voor zover wij weten, GSD-nanoscopie toegepast op ND's voor beeldvorming met superresolutie van enkele \({\text{NV}}^{ - }\) centra.

Om superresolutie via de GSD te bereiken, worden alle emitters die worden bedekt door een gefocusseerde excitatiestraal tijdelijk uitgeschakeld, behalve in een gebied met de grootte van een subdiffractie, vanwege de overlap van de donutvormige uitputtingsstraal die het centrum naar zijn lange- geleefde donkere staat. De verkregen resolutie kan worden gekwantificeerd door het profiel in het brandvlak waar de middelpunten "aan" zijn en het schaalt volgens Vgl. (1), waarbij \(I_{s}\) omgekeerd schaalt met de levensduur van de betrokken toestanden en met de inhibitiedoorsnede van de optische uitschakelovergang [43, 44].

Figuur 3a toont een super-opgelost fluorescentiebeeld van een enkel \({\text{NV}}^{ - }\) centrum in een ND (Fig. 2c). De volledige breedte bij half maximum (FWHM) is 57 nm in x-richting en 42 nm in y-richting (Fig. 3c).

een Fluorescentiebeeld van een super opgelost \({\text{NV}}^{ - }\) centrum op basis van GSD-nanoscopie. Dwell-tijd 10 ms en 2 nm pixelgrootte. b Transversale resolutie als functie van uitputtingskracht. De discrepantie tussen experiment en theorie is hoogstwaarschijnlijk te wijten aan onvolkomenheden in het gastheermateriaal en veranderingen in de lokale omgeving van ND's in vergelijking met bulkdiamant. De theorie is gebaseerd op NV-centra in bulkdiamant. c Beelddoorsnedenprofiel langs de x-as en y-as met een FWHM-resolutie van respectievelijk 57 nm en 42 nm. De ononderbroken lijn geeft de beste pasvorm weer

De relatie tussen uitputtingskracht en resolutie wordt getoond in figuur 3b. De theoretische curve is gebaseerd op Vgl. (1). Het extra vermogen dat nodig is om de fluorescentie van het \({\text{NV}}^{ - }\) centrum voor de experimentele gegevens te onderdrukken, werd toegeschreven aan de lokale omgeving in de ND-host en een kortere levensduur van de metastabiele toestand [38] vergeleken met bulk . Opgemerkt wordt dat de maximale resolutie van 42 nm wordt bereikt bij 2,2 mW, terwijl in Ref. [24] Een resolutie van 12 nm werd bereikt met 16 mW, wat overeenkomt met een piekintensiteit van 12 MW/cm ² in voor de uitputtingsstraal.

Verder hebben we GSD-nanoscopie toegepast om beeldvorming op nanoschaal van twee dicht bij elkaar gelegen \({\text{NV}}^{ - }\) centra te demonstreren. Afbeelding 4a toont een confocaal beeld van \({\text{NV}}^{ - }\) centra. Onder GSD-nanoscopie worden twee enkele \({\text{NV}}^{ - }\) centra afgebeeld met resolutie op nanoschaal (Fig. 4b). De hart-op-hart afstand tussen de twee \({\text{NV}}^{ - }\) middelpunten is 72 nm (Fig. 4c). De FWHM voor de twee opgeloste \({\text{NV}}^{ - }\) centra in de y -richting is respectievelijk 36 nm (Fig. 4d) en 38 nm (Fig. 4e). We schreven de verkeerde uitlijning tussen de hoofdas van de ND en de opgeloste \({\text{NV}}^{ - }\) centra toe aan een mechanische drift tijdens het confocale beeldscannen.

een Confocale fluorescentiekaart van 500 × 500 nm (verblijftijd 2 ms en 1 nm pixelgrootte) en b super-opgeloste afbeelding 300 × 300 nm van het witte vierkant in (verblijftijd 24 ms en 1 nm pixelgrootte) b van twee \({\text{NV}}^{ - }\) centra. De individuele confocale vlek is super opgelost in twee afzonderlijke schemerige fluorescentievlekken. c Dwarsdoorsnede langs de X-as die de scheiding van 72 nm tussen de twee pieken toont, overeenkomend met de locaties van de hart-op-hart afstand van de twee NV-centra. d Doorsneden langs de Y-as met een gemeten FWHM-resolutie van 36 nm en 38 nm, overeenkomend met \({\text{NV}}^{ - }\) 1 en \({\text{NV}}^{ - }\) 2 in b , respectievelijk

Conclusies

In dit werk hebben we GSD-nanoscopie geïmplementeerd met behulp van de metastabiele toestand van \({\text{NV}}^{ - }\) centrum in nanodiamanten, met super-opgeloste beeldvorming van \({\text{NV}}^{ - }\) centra. Een enkel \({\text{NV}}^{ - }\) centrum met een FWHM van 36 nm is opgelost. De schaal van de resolutie met betrekking tot de intensiteit van de uitputtingsstraal wordt ook getoond, en de maximale superresolutie wordt bereikt met 2,2 mW uitputtingsvermogen. Verder zijn twee \({\text{NV}}^{ - }\) centra, gescheiden door 72 nm, opgelost. Dit resultaat opent de mogelijkheid om dipolaire koppeling tussen dicht bij elkaar liggende \({\text{NV}}^{ - }\) centra [45] te onderzoeken, de mogelijkheid voor kwantumdetectie met hoge ruimtelijke resolutie op basis van de \({\text{ NV}}^{ - }\) spin-eigenschappen [6, 18, 46,47,48] en andere multifunctionele detectietoepassingen op basis van bulkdiamant [49] uitgebreid tot ND's [50].

In dit artikel hebben we ook aangetoond dat de stikstofconcentratie in diamant aan de basis ligt van GSD- en CSD-mechanismen voor superresolutie, die worden bereikt in respectievelijk hoog en laag stikstof-gedoteerde diamant. Als zodanig zouden gemanipuleerde ND's voor de specifieke methode moeten volgen. Het is duidelijk dat CSD gemakkelijker kan worden toegepast op spindetectie vanwege de lage stikstofconcentratie; echter, de NV ⁰ laadtoestand zou de kwantumdetectie-eigenschappen van CSD beperken, terwijl het stabiliseren van de laadtoestand van \({\text{NV}}^{ - }\) met behulp van andere donoren dan stikstof een veel hogere gevoeligheid van de GSD zou kunnen opleveren die wordt toegepast om kwantum te spinnen voelen.

GSD-nanoscopie van \({\text{NV}}^{ - }\) centra in ND's gebruikt een laag vermogen (~ 300 μW) voor de optische intensiteiten in vergelijking met bulkdiamant, en het is meer geschikt voor biologische monsters. De GSD-resolutie kan worden verbeterd door de optimale stikstofdoping [34] te bepalen, door het effect van oppervlaktepassivering en andere onzuiverheden op de \({\text{NV}}^{ - }\) in de metastabiele toestand van NDs te bestuderen en door technische ND's met minder fotoluminescente onzuiverheden.

Met betrekking tot spindetectie beperkt de hoge stikstofconcentratie in momenteel commerciële ND's die zijn afgeleid van HPHT en microdiamanten met een hoog stikstofgehalte de spingevoeligheid volgens verminderd optisch gedetecteerd magnetisch resonantiecontrast [34]. Als zodanig moeten andere doteermiddelen worden overwogen om de \({\text{NV}}^{ - }\) laadtoestand te stabiliseren zonder decoherentie [50, 51] te introduceren.

Ten slotte, door deze methode te combineren met de microgolfexcitatie [18, 52,53,54], zou het een alternatieve benadering kunnen bieden voor super-opgeloste optische magnetische beeldvorming in de biowetenschappen als de huidige materiaaleigenschappen van NDs beter zouden kunnen worden ontworpen voor deze toepassing.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De datasets die tijdens het huidige onderzoek zijn gebruikt en/of geanalyseerd, zijn op redelijk verzoek verkrijgbaar bij de corresponderende auteur.

Afkortingen

ND's:

Nanodiamanten

NV:

Stikstof-leegstand

STED:

Gestimuleerde emissie-uitputting

GSD:

Uitputting van de grondtoestand

CSD:

Laadtoestand uitputting

FWHM:

Volledige breedte op halve maximum

HPHT:

Hoge druk en hoge temperatuur

AOM:

Akoestisch-optische modulator