Hoogresolutie grondtoestandsdepletie imaging van stikstof-vacantie centra in nanodiamanten

Samenvatting

Het negatief geladen stikstof-vacantie (NV⁻) centrum in nanodiamanten (NDs) is recent bestudeerd voor toepassingen in cellulaire imaging vanwege de betere foto-stabiliteit en biocompatibiliteit in vergelijking met andere fluoroforen. Super-resolutie imaging met 20-nm resolutie van NV⁻ in NDs is de afgelopen jaren bewezen met behulp van sub-diffractie-beperkte imaging benaderingen zoals single molecule stochastic localisation microscopy en stimulated emission depletion microscopie. Hier tonen we de eerste demonstratie van grondtoestandsdepletie (GSD) nanoscopie van deze centra in NDs met behulp van drie bundels, een probebundel, een depletiebundel en een resetbundel. De depletiebundel bij 638 nm dwingt de NV⁻ centra naar de metastabiele donkere toestand overal behalve in het lokale minimum, terwijl een Gaussiaanse bundel bij 594 nm de NV⁻ centra sondert en een 488-nm resetbundel gebruikt wordt om de geëxciteerde toestand te herpopuleren. Super-resolutie imaging van een enkel NV⁻ centrum met een volle breedte op halve maximum van 36 nm wordt gedemonstreerd, en twee aangrenzende NV⁻ centra gescheiden door 72 nm worden opgelost. GSD microscopie wordt hier toegepast op NV⁻ in NDs met een veel lagere optische kracht vergeleken met bulk diamant. Dit werk demonstreert de noodzaak om de NDs stikstofconcentratie te controleren om hun toepassing in super-resolutie imaging methoden af te stemmen en baant de weg voor studies van NV⁻ in NDs'n nanoschaal interacties.

Inleiding

Stikstof-vacantie (NV⁻) centrum in diamant, bestaande uit substitutieve stikstof met een burende vacantie, heeft brede belangstelling getrokken in diverse wetenschappelijke en technologische velden, onder de meest opvallende als een kwantumgeheugen in toekomstige kwantumcomputers [1], een zeer gevoelige magnetometer [2] met toepassingen in biomedische imaging van levende cellen [3] en van neuronenactiviteit [4], en als een atoomschaal probe in diverse super-resolutie imaging methoden zoals stimulated emission depletion (STED) microscopie en de spinvariant ervan, een variant van grondtoestandsdepletie (GSD) microscopie [5-7] en single molecule stochastic localisation microscopy (SMLM) met nanometrische spinlocalisatie [8]. In het bijzonder vertegenwoordigen methoden die de diffractielimiet in fluorescentiemicroscopie overwinnen, een paradigmawisseling in de huidige biomedische wetenschap [9] en heeft NV⁻ in diamant een relevante rol gespeeld in dit gebied als een nieuwe nanoprobe. Vanwege de inertie van diamant, hoge biocompatibiliteit, robuustheid en de foto-stabiliteit van NV⁻ fotoluminescentie met hoge kwantumopbrengst, is het breed verkend voor toepassingen in biomedische wetenschap en bio-fotonica [10, 11] en in hersenmicroscopie [12] ook in zijn nanovorm bekend als nanodiamanten (NDs) [13, 14]. NDs behouden vergelijkbare NV fluorescentie-eigenschappen van de gastheer bulk diamant met de voordelen van meer compatibel voor life science super-resolutie imaging toepassingen [15]. Echter, door de inhomogeniteit in vormen en materiaal stikstofdotering van de momenteel massaproduceerde fluorescerende NDs, wat variabele eigenschappen van de NV induceert ten opzichte van bulk diamant en vaak andere verontreinigingen herbergt, is super-resolutie imaging met NDs doorgaans uitdagender vergeleken met bulk diamant.

Beperkingen om super-resolutie methoden toe te passen op NDs vergeleken met zuiverere bulk diamant zijn geassocieerd met de variabiliteit van de foto-fysische eigenschappen van de NV⁻ door inhomogeniteit van de NDs stikstofconcentratie, ladingsvallen, en andere verontreinigingen concentratie.

Nanoschaal imaging van NV⁻ centra in NDs is gedemonstreerd met STED microscopie met een depletiebundelvermogen van > 650 mW om 20-nm resolutie te bereiken [16, 17] (de maximale resolutie in bulk werd bereikt met enkele 3,7 GW/cm² [5]); echter, een imaging modaliteit die nanoschaal resolutie bereikt met optische intensiteiten in de orde van µW is noodzakelijk voor bijvoorbeeld nanoschaal in vivo cellulaire imaging om fototoxiciteit te reduceren. NDs hebben het voordeel van cellulaire labelling te mogelijk maken, wat niet mogelijk is met het bulk platform en is gebruikt voor super-resolutie imaging van magnetisch veld met SMLM [18], wat minder fototoxisch is dan STED of GSD microscopie. Eerdere super-resolutie imaging van NV⁻ in bulk diamant met GSD werd bereikt door de grondtoestand te depleteren met een hoge intensiteit bundel van 532 nm die de centra exciteert naar de luminescente toestand; daarom vindt depletie van de grondtoestand plaats via de geëxciteerde toestand [7]. Deze benadering vereiste echter ook zeer hoge optische intensiteiten om super-resolutie te bereiken (verschillende GW/cm² om een resolutie < 10 nm te bereiken) en een imaging reconstructie algoritme om een positief beeld te verkrijgen [19]. Laag-vermogen super-resolutie is bereikt met picoseconde gepulste laser die de ladingconversie van NV⁻ in de neutrale ladingstoestand (NV⁰ met een nul-fonon lijn bij 575 nm) in bulk diamant induceert, bekend als ladingstoestand conversie (CSD) depletie nanoscopie [20, 21]; echter, het gemiddelde depletiebundelvermogen was 1 mW om 12-nm resolutie te bereiken en het mechanisme lijkt materiaalafhankelijk, dat wil zeggen ultra-lage stikstofconcentratie (lager dan 5 ppb [21]), over het algemeen bereikt in elektronische graad chemische dampdepositie bulk diamant.

Een alternatieve benadering tot GSD nanoscopie van NV⁻ centra in bulk diamant gebruikte de metastabiele donkere toestand om de grondtoestand te depleteren met veel lagere kracht via een langlevende metastabiele toestand, oorspronkelijk voorgesteld in Ref. [22] en eerste gedemonstreerd in Ref. [23] in zoogdiercel met organische kleurstof Atto532.

Het principe van GSD is de deactivatie van de fluorescentie van een fluorescentiemarker door een twee-bundel benadering. De eerste bundel is de excitatie- of probebundel, die de fluorofore exciteert naar de geëxciteerde toestand, en de tweede bundel is de inhibitiebundel, die de fluorescentie uitschakelt. De deactivatie van fluorescentie wordt bereikt door de populatie van een fluorofore tijdelijk op te bergen in een metastabiele toestand of een langlevende triplettoestand. Optische overgangen tussen singulet metastabiele toestanden en triplettoestanden vereisen een spin flip en zijn daarom optisch onderdrukt [23].

In Ref. [24] werd GSD mogelijk gemaakt door het centrum continu te pompen van 25 tot 200 µW optische kracht van een CW rode laser (638 nm) die de NV⁻ in een niet-fluorescerende toestand brengt door de langlevende metastabiele toestand te populeren, dus de grondtoestand te depleteren, terwijl een blauwe laser (476 nm) gebruikt werd om de donkere metastabiele toestand te legen door overgangen naar hogere energietoestanden te induceren. Hier wordt de 638-nm laser ook gebruikt om het centrum te exciteren, zelfs als niet efficiënt, en het vervolgens op te bergen in zijn metastabiele toestand. NV⁻ toonde luminescentie alleen wanneer geëxciteerd met zowel blauwe als rode lasers. Een resolutie van 16 nm werd bereikt met 5 mW depletielaservermogen, wat veel lager is dan wat gebruikt in STED of eerdere GSD. Een mogelijke beperking van deze methode could de afhankelijkheid van de eigenschappen van de metastabiele toestand van verschillende typen diamant met minder of meer stikstofgehalte, of nog meer in NDs, wat de toepasbaarheid beperkt. In Ref. [24] was de bulk diamant een type IIa optische graad diamant, wat overeenkomt met een stikstofconcentratie van 500 ppm, verreweg hoger dan het meer recente werk over CSD [21], dat steunt op lage stikstofconcentratie (< 5 ppb). De stelling in Ref. [21] dat de donkere toestand van Ref. [24] de neutrale ladingstoestand van de NV⁻ is, lijdt aan het niet overwegen dat in hoge stikstofconcentratie de NV⁻/⁰ ladingconversie onderdrukt wordt [25] en NV vorwiegend in zijn negatieve ladingstoestand is; verder kan de gemeten levensduur van de donkere toestand niet toegeschreven worden aan een ladingconversieproces. Feitelijk is CSD nog niet bewezen in commerciële fluorescerende NDs (afgeleid van hoge druk en hoge temperatuur, HPHT, diamant) vanwege hun hoge stikstofconcentratie, ladingsonstabiliteit door andere defecten en foto-fysische variabele eigenschappen door gebrek aan materiaalcontrole.

Het mechanisme om GSD nanoscopie tot stand te brengen is ook nog niet gerapporteerd met NV⁻ centra in NDs door de hypothese dat CSD niet in NDs zou kunnen plaatsvinden.

In dit papier tonen we aan dat GSD uitgevoerd kan worden in NDs, wat de afhankelijkheid van GSD en CSD methoden van de diamant stikstofconcentratie bewijst en de noodzaak van NDs materiaal engineering voor specifieke super-resolutie en spin sensing methoden aanmaant.

In dit papier demonstreren we GSD nanoscopie van NV⁻ centra in NDs met een vergelijkbare aan/uit fluorescentschakelmechanisme bereikt door de elektronen op te bergen in de langlevende metastabiele toestand met een drie-bundel benadering en 300 µW te gebruiken om de geëxciteerde toestand volledig te depleteren en de maximale resolutie te bereiken. Hier tonen we aan dat de eigenschappen van de NV⁻ in NDs de toepasbaarheid van deze methode niet beperken, zoals eerder gedacht [24]. Verder waren we in staat om twee NV⁻ centra binnen dezelfde NDs te onderscheiden zoals eerder getoond met SMLM [26] en STED microscopie [17].

Om te bevestigen dat het mechanisme van grondtoestandsdepletie in ons werk te wijten is aan een langlevende metastabiele toestand in plaats van CSD, zullen we de belangrijkste recente resultaten samenvatten in relatie tot de NV⁻/⁰ ladingstoestand conversie. Wat betreft foto-geïnduceerde ionisatie, is hercombinatie van de NV⁻/⁰ ladingstoestanden grondig bestudeerd en bevonden om excitatiegolflengte afhankelijk te zijn [27, 28], met ladingstoestand schakeling voor rode (of blauwe) laser excitatie, met rode excitatie gebruikt om de NV⁻ in de neutrale ladingstoestand te schakelen. Deze snelle schakeling die optreedt bij laag laservermogen is gebruikt voor het implementeren van ladingstoestand depletie nanoscopie [21] en stochastische optische reconstructie nanoscopie [8] alleen in bulk diamant gekweekt door chemische dampdepositie, waar de stikstofconcentratie goed gecontroleerd is en over het algemeen zeer laag is door lage-temperatuur groei. Deze schakelingsdynamica door de excitatiegolflengte gebaseerd op ladingstoestand conversie van de NV werd niet waargenomen in NDs [18, 26, 29], waar knipperen te wijten was aan ladingsvallen geproduceerd door mechanische schade tijdens fabricageproces (doorgaans crashen van HPHT hoge stikstofconcentratie microdiamanten) of andere effecten geassocieerd met oxidatie [26, 29-31] of nabijheid met andere acceptor verontreinigingen [18, 32], en als zodanig niet gerelateerd aan NV⁻/⁰ ladingconversie. Het is ook gedemonstreerd dat NV⁻ ladingconversie sterk afhangt van de concentratie van elektrondonor verontreinigingen in het diamantrooster, namelijk de negatieve toestand conversie naar neutrale ladingstoestand wordt onderdrukt voor hoge concentratie donor verontreinigingen (Stikstof) concentratie [25]. Het is in feite voorgesteld om donor en acceptoren in diamant te gebruiken om NV ladingstoestand te stabiliseren [33]. De meeste van deze studies werden uitgevoerd in bulk diamant en alleen een recent werk [34] toonde aan dat de groei van NDs bij lage temperatuur een lagere stikstofincorporatie toestaat, en als zodanig gedragen NDs zich als zuivere bulk diamant met sterke ladingstoestand schakeling voor rode (of blauwe) laser excitatie, terwijl hoge-temperatuur groei die meer stikstofverontreinigingen incorporeert, deze ladingconversie significant onderdrukt.

In onze NDs hebben we geen NV⁻/⁰ ladingconversie waargenomen door laser golflengte excitatie, en wij schrijven de donkere toestand inderdaad toe aan de metastabiele toestand zoals eerder gedaan [24], ook in het licht van de grote grootte van de NDs hier gebruikt (~ 100 nm), zonder knipperen door oppervlakteladingstoestanden, en nog belangrijker hun hoge stikstofconcentratie. De NDs hier bestudeerd zijn commercieel afgeleid van HPHT microdiamanten met ten minste inhomogene 500 ppm stikstofconcentratie. De metastabiele toestand in Ref. [24] is ook bewijzen door haar zeer lange levensduur van 150 s.

NV⁻ centra zijn over het algemeen het beste te exciteren met 532 of 561 nm aangezien ze een nul-fonon lijn bezitten bij 637 nm [35], corresponderend met de overgang tussen een triplet grondtoestand en geëxciteerde toestand, vorwiegend een spin behoudende overgang. Bovendien bestaat een singulet metastabiele toestand [36] waarover het centrum via niet-radiatieve verval overgaat. De optische overgangslevensduur van NV⁻ in NDs is ongeveer 22 ns [37], langer vergeleken met die in bulk diamant van 12 ns [35].

Een excitatie (probe) bundel bij 594 nm bevordert de overgang van de grondtoestand naar de geëxciteerde toestand, terwijl een depletiebundel bij 638 nm de elektronen van NV⁻ centra tijdelijk opbergt van de geëxciteerde toestand naar de metastabiele toestand via niet-radiatieve intersystem crossing (Fig. 1a). Het gebruik van 594 nm als probe is gerechtvaardigd door zijn minimale veranderen van de donkere toestand populatie in vergelijking met het groen (meestal 532 of 561 nm) [24]. Deze methode verzadigt effectief de intersystem crossing en leegt de grondtoestand, wat excitatie in de geëxciteerde toestand van NV⁻ centra en daaropvolgende emissie van fluorescentie voorkomt, wanneer gesondeerd met 594 nm. Ten slotte herpopuleert een blauwe laser bij 488 nm de geëxciteerde toestand, wat daaropvolgende snelle (ns) verval naar de grondtoestand remt [38].

a Principe van de GSD in NV⁻ in NDs met een probebundel bij 594 nm (geel), een depletiebundel bij 638 nm (rood) en een resetbundel bij 488 nm (blauw). GS grondtoestand, ES geëxciteerde 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 confocal microscoop met drie lasers werkend bij golflengtes van 488 nm, 594 nm en 638 nm. Een vortex faseplaat ruimtelijk engineer de 638 nm depletiebundel in een donut bundel om depletie alleen rond het diffractie-beperkte gebied te garanderen. c Karakterisering van acousto-optische modulatoren door meting van de puls aankomsttijden van elke laser. d Schema van de pulssequentie gebruikt in GSD nanoscopie. Het detectievenster is gesynchroniseerd met de probebundel bij 594 nm om alleen relevante fluorescentie te verzamelen. De pulslengte van de 594 nm probebundel was geoptimaliseerd op 20 µs, aangezien een kortere pulslengte zou resulteren in langere gemiddelingstijden en langere pulslengtes zouden leiden tot minder efficiënte super-resolutie imaging. De 488 nm resetbundel was geoptimaliseerd op 20 µs aangezien het wenselijk is om hem zo kort mogelijk te hebben om de totale pulssequentietijd te reduceren maar nog steeds de langlevende metastabiele toestand effectief te legen

Vergelijkbaar met STED, wordt de depletiebundel ruimtelijk geïnjeenereerd in een donut bundel in het transversale vlak om super-resolutie imaging te bereiken [24]. De resolutie d van GSD nanoscopie gehoorzaamt aan Eq. [23]:

$$d \approx \frac{\lambda }{{[2\left( {NA} \right)\sqrt {1 + I_{{\text{D}}}^{\max } /I_{{\text{s}}} ]} }}$$ (1)

met NA de numerieke apertuur van de objectieflens, \(I_{{\text{s}}}\) de verzadigingsintensiteit waarbij de helft van de fluorescentie gedepleteerd is en \(I_{{\text{D}}}^{\max }\) de maximum intensiteitswaarde van de piek grenzend aan de nul.

We meeten een imagingresolutie van 36 nm voor een enkel NV⁻ centrum in ND afhankelijk van de depletiebundelintensiteit. Verder zijn twee NV⁻ centra gescheiden door 72 nm opgelost. Ons werk is veelbelovend voor fluorescente nanoscopie binnen levende cellen met NDs die NV⁻ centra bevatten als biomarkers.

Experimentele methoden

Voor dit experiment werd een suspensie van hoge-druk hoge-temperatuur (HPHT) NDs nominaal 100 nm in grootte [39, 40], zuur-gereinigd en verdund in MilliQ oplossing, gebruikt. Een volume van 20 µl NDs oplossing (1:200 verdund in MilliQ water) werd gedropt op zuurstofplasma asher-gereinigde borosilicaat dekkerslip en in de lucht gedroogd [37]. De experimentele opstelling voor GSD nanoscopie bestond uit een zelfgebouwde confocal microscoop met twee continue-golf diode lasers bij golflengtes van 488 nm en 638 nm en een continue-golf helium-neon (HeNe) laser bij een golflengte van 594 nm. In elk van de bundelpaden werd een acousto-optische modulator (AOM) geïnstalleerd om optische pulsen te creëren uit de continue lichtbundels en ze te synchroniseren ten opzichte van elkaar. Na doorlopen door de AOMs, schoonde een ruimtelijk filter de ruimtelijke bundelprofielen op. Een secundaire lens collimeerde elke bundel voor verdere voortplanting. Eerst werden de laserbundels bij golflengtes van 488 nm en 638 nm ruimtelijk overgelapt met een 532-nm lange-pas laser-vlakke dichroïsche (Semrock- LPD01 532R). Een secundaire dichroïsche (Semrock- R405/488/543/638) overlaapte alle drie bundels ruimtelijk door de 488 nm en 638 nm golflengtes te reflecteren en de 594 nm golflengte te transmiteren. Het ruimtelijke bundelprofiel van de depletiebundel bij de golflengte van 638 nm was geïnjeenereerd in een donut bundel met een faseplaat. Verder werd een kwartgolfplaat voor de objectief geplaatst om circulair polarisatie van de depletiebundel te garanderen. Een hoge numerieke apertuur (NA = 1,4) olie-immersie objectief werd gebruikt om de NDs te imageren. Een dichroïsche (Semrock- LP02-671RU-25) scheidde de fluorescentie van de NV⁻ centra van de excitatiegolflengtes en leidde het om naar een enkele-foton Avalanche diode (SPCM-AQRH-14FC) detector via een single-mode vezel die fungeert als een pinhole. De schematische weergave van de optische opstelling is getoond in Fig. 1b.

Goud nanopartikels met een gemiddelde grootte van 40 nm werden op een glas dekkerslip gedropt en geïmageerd om het ruimtelijke profiel van de depletiebundel te onderzoeken. Een donut-vormige puntspreidingsfunctie met een ring van hoge intensiteit en een lokaal minimum in het centrum wordt waargenomen (inset van Fig. 1b).

We onderzochten eerst de temporele reactie van elke laserpuls. De AOMs worden gecontroleerd via LabVIEW met een multikanaal pulsengenerator (PulseBlasterESR-PRO) die de individuele temporele eigenschappen van elke laserbundel controleert, alsook de timing tussen de drie bundels. Vanwege verschillende optische padlengtes voor elke van de lasers, hebben optische pulsen die op hetzelfde moment gegenereerd worden, een licht verschild aankomsttijd bij de detector. Dit stelt ons in staat om temporele controle over alle drie laserbundels op de sub-microseconde tijdschaal te hebben.

Een rij- en valtijd van 60 ns werd gemeten voor de excitatiebundels (Fig. 1c). De optische pulsen bij golflengtes van 594 nm en 638 nm arriveerden met een scheiding van 85 ns en 155 ns ten opzichte van de puls bij 488 nm golflengte. Elke van de laserpulsen genereert fluorescentie die afkomstig is van verschillende bronnen, inclusief het NV⁻ centrum, andere verontreinigingen in de ND en defecten binnen de glas dekkerslip. Alleen fluorescentie gegenereerd door de excitatiebundel is relevant voor GSD imaging. De fluorescentie van andere laserpulsen draagt bij aan de ruis van de fluorescentieafbeelding. Om die reden wordt tijdsgating geïntroduceerd om fluorescentie gegenereerd door laserpulsen anders dan de probebundel te elimineren. Dit wordt bereikt door de detectie te gaten met de puls aankomsttijd van de probebundel, effectief de andere fluorescente bronnen filterend en de signaal-ruis verhouding van de imaging verhogend.

Een typische pulssequentie voor GSD nanoscopie en het detectievenster is gegeven in Fig. 1d. Uitschakelen van de NV⁻ centra fluorescentie werd bereikt door elektronen op te bergen in de langlevende toestand met een depletiepuls bij de golflengte van 638 nm. Excitatie van NV⁻ centra in de sub-diffractie regio werd verschaft door een puls bij de golflengte van 594 nm, terwijl een puls bij 488 nm golflengte de NV⁻ centra terug in de geëxciteerde toestand reset. Een pulssequentie werd 500-1000 keer herhaald om een hoge signaal-ruis verhouding te garanderen. De pulslengtes waren in het 10-20 µs bereik voor de probebundel (594 nm) en de resetbundel (488 nm). De optimale pulslengte van de depletiebundel werd gevonden op ~ 300 µs (Fig. 2d). De optimalisatie van de bundelpulsduur is gebaseerd op Ref. [24]; een meer systematische optimalisatie zou echter uitgevoerd moeten worden om de eindresolutie te verbeteren. Het wordt verwacht dat de resolutie afhangt van de inhibitiebundel pulsduur, wat beperkt wordt door de levensduur van de metastabiele toestand.

a De fluorescentie van een enkel NV⁻ centrum gebaseerd op 488 nm en 638 nm excitatie. De gedetecteerde fluorescentie neemt toe wanneer beide lasers simultaan het NV⁻ centrum exciteren. b Fluorescentie afhankelijkheid van depletievermogen. Een illustratie van de pulssequentie is in de inset getoond. Fluorescentie wordt alleen gedetecteerd wanneer de probelaser bij 594 nm aanstaat. c Antibunching curve van het NV⁻ centrum die een tweede-orde correlatiefunctie < 0,5 toont bij nul-vertragingstijd

Resultaten en discussie

De aan/uit schakelmechanisme werd onderzocht door een NV⁻ centrum te exciteren onder de laserbronnen bij golflengtes van 638 nm en 488 nm (Fig. 2a). Een toename in de fluorescentie-emissie van NV⁻ centra werd alleen gedetecteerd toen de twee bundels ruimtelijk overlaapt. Dit emitterende gedrag werd begrepen, aannemend dat de bundel bij 638 nm golflengte preferentieel elektronen opbergde in de langlevende toestand, terwijl de bundel bij 488 nm spontane emissie toestond (Fig. 1a). We gingen uit van een levensduur voor de langlevende toestand van NV⁻ centra korter (de enige meting voor NDs is 33-127 ns uit ref.[38], terwijl de singulet toestand overgang 300 ns is [41]) dan de metastabiele toestand levensduur in bulk diamant (gemeten 150 s) [24] en veel langer dan de levensduur van de geëxciteerde toestand [37].

Een enkel NV⁻ centrum werd geselecteerd met anti-bunching (Fig. 2c) meting om de vermogen te bestuderen vereist voor de depletiebundel om fluorescentie effectief te dempen in de donut vorm [42]. Een bundel bij 594 nm golflengte werd toegevoegd om te sondieren of het enkele NV⁻ centrum in zijn aan toestand of uit toestand was. Figuur 2b toont de fluorescentie afhankelijkheid van het geselecteerde NV⁻ centrum op de intensiteit van de depletiebundel. Een snelle daling in fluorescentie werd waargenomen. Bij depletievermogen van 151,2 µW werd het NV⁻ centrum effectief uitgeschakeld.

Hier demonstreren we voor de eerste keer, voor zover we weten, GSD nanoscopie toegepast op NDs voor super-resolutie imaging van enkele NV⁻ centra.

Om super-resolutie via GSD te bereiken, worden alle emitters bedekt door een gefocuste excitatiebundel tijdelijk uitgezet, behalve in een sub-diffractie-grote regio, door de overlap van de donut-vormige depletiebundel die het centrum naar zijn langlevende donkere toestand overbrengt. De verkregen resolutie kan gekwantificeerd worden door het profiel in het focale vlak waar de centra "aan" zijn en het schaalt volgens Eq. (1), waar \(I_{s}\) omgekeerd evenredig schaalt met de levensduur van de betrokken toestanden en met de inhibitie doorsnede van de optische uitschakelovergang [43, 44].

Figuur 3a toont een super-opgeloste fluorescentieafbeelding van een enkel NV⁻ centrum in een ND (Fig. 2c). De volle breedte op halve maximum (FWHM) is 57 nm in x-richting en 42 nm in y-richting (Fig. 3c).

a Fluorescentieafbeelding van een super-opgelost NV⁻ centrum gebaseerd op GSD nanoscopie. Dwell time 10 ms en 2 nm pixelgrootte. b Transversale resolutie als functie van depletievermogen. De discrepantie tussen experiment en theorie is waarschijnlijk te wijten aan onvolkomenheden in het gastheermateriaal en veranderingen in de lokale omgeving van NDs ten opzichte van bulk diamant. De theorie is gebaseerd op NV centra in bulk diamant. c Afbeelding doorsnede profielen langs de x-as en y-as met een FWHM resolutie van 57 nm en 42 nm, respectievelijk. De volle lijn vertegenwoordigt de beste fit

De relatie tussen depletievermogen en resolutie is getoond in Fig. 3b. De theoretische curve is gebaseerd op Eq. (1). Het additionele vermogen vereist om de NV⁻ centrum fluorescentie te onderdrukken voor de experimentele data werd toegeschreven aan de lokale omgeving in de ND gastheer en een kortere metastabiele toestand levensduur [38] vergeleken met bulk. Het is opgemerkt dat de maximale resolutie van 42 nm bereikt wordt bij 2,2 mW, terwijl in Ref. [24] 12-nm resolutie bereikt werd met 16 mW, corresponderend met een piekintensiteit van 12 MW/cm² in voor de depletiebundel.

Verder pasten we GSD nanoscopie toe om nanoschaal imaging van twee dichtbij gelegen NV⁻ centra te demonstreren. Figuur 4a toont een confocale afbeelding van NV⁻ centra. Onder GSD nanoscopie worden twee enkele NV⁻ centra geïmageerd met nanoschaal resolutie (Fig. 4b). De centrum-tot-centrum afstand tussen de twee NV⁻ centra is 72 nm (Fig. 4c). De FWHM voor de twee opgeloste NV⁻ centra in de y-richting is 36 nm (Fig. 4d) en 38 nm, respectievelijk (Fig. 4e). We schrijven de misalignement tussen de hoofd-as van de ND en de opgeloste NV⁻ centra toe aan een mechanische drift tijdens het confocale afbeelding scannen.

a Confocale fluorescentiekaart van 500 × 500 nm (dwell time 2 ms en 1 nm pixelgrootte) en b super-opgeloste afbeelding 300 × 300 nm van het witte vierkant in (dwell time 24 ms en 1 nm pixelgrootte) b van twee NV⁻ centra. De individuele confocale spot is super-opgelost in twee afzonderlijke dimme fluorescentiespots. c Doorsnede langs de X-as die de scheiding van 72 nm tussen de twee pieken toont corresponderend met de locaties van de centrum-tot-centrum afstand van de twee NV centra. d Doorsnedes langs de Y-as met een gemeten FWHM resolutie van 36 nm en 38 nm, corresponderend met NV⁻ 1 en NV⁻ 2 in b, respectievelijk

Conclusies

In dit werk hebben we GSD nanoscopie geïmplementeerd met behulp van de metastabiele toestand van NV⁻ centrum in nanodiamanten, wat super-opgeloste imaging van NV⁻ centra toont. Een enkel NV⁻ centrum met een FWHM van 36 nm is opgelost. De schaling van de resolutie ten opzichte van de intensiteit van de depletiebundel wordt ook getoond, en de maximale super-resolutie wordt bereikt met 2,2 mW van depletievermogen. Verder werden twee NV⁻ centra gescheiden door 72 nm opgelost. Dit resultaat opent de mogelijkheid om dipolaire koppeling tussen dichtbij gelegen NV⁻ centra te onderzoeken [45], de mogelijkheid voor hoge ruimtelijke resolutie kwantum sensing gebaseerd op de NV⁻ spineigenschappen [6, 18, 46-48] alsook andere multifunctionele sensing toepassingen gebaseerd op bulk diamant [49] uitgebreid naar NDs [50].

In dit papier hebben we ook getoond dat de stikstofconcentratie in diamant ten grondslag ligt aan GSD en CSD mechanismen voor super-resolutie, die bereikt worden in respectievelijk hoge en lage stikstof-gedopte diamant. Als zodanig, sollten ingenieurs NDs voor de specifieke methode volgen. Het is begrepen dat CSD makkelijker toegepast kan worden op spin sensing door lage stikstofconcentratie; echter, de NV⁰ ladingstoestand zou de kwantum sensing eigenschappen van CSD beperken, terwijl het stabiliseren van de ladingstoestand van NV⁻ met andere donors dan stikstof een veel hogere gevoeligheid van GSD toegepast op spin kwantum sensing zou brengen.

GSD nanoscopie van NV⁻ centra in NDs gebruikt laag vermogen (~ 300 µW) voor de optische intensiteiten vergeleken met bulk diamant, en is meer geschikt voor biologische monsters. De GSD resolutie kan verbeterd worden door de optimale stikstofdotering te bepalen [34], door het effect van oppervlaktepassivatie en andere verontreinigingen op de NV⁻ in NDs metastabiele toestand levensduur te bestuderen en door NDs te engineeren met minder fotoluminescente verontreinigingen.

Wat betreft spin sensing, de hoge stikstofconcentratie in momenteel commerciële NDs afgeleid van HPHT en hoge stikstofinhoud microdiamanten beperkt de spin gevoeligheid volgens verminderde optisch gedeteceerde magnetische resonantie contrast [34]. Als zodanig, andere dopanten zouden overwogen moeten worden voor het stabiliseren van de NV⁻ ladingstoestand zonder decoherentie te introduceren [50, 51].

Ten slotte, het combineren van deze methode met microgolfexcitatie [18, 52-54], zou een alternatieve benadering kunnen bieden voor super-opgeloste optische magnetische imaging in life science als de huidige NDs materiaaleigenschappen beter geïngenieurd kunnen worden voor deze toepassing.

Beschikbaarheid van data en materialen

De datasets gebruikt en/of geanalyseerd tijdens de huidige studie zijn beschikbaar bij de corresponderende auteur op redelijk verzoek.

Afkortingen

NDs:

Nanodiamanten

NV:

Stikstof-vacantie

STED:

Stimulated emission depletion

GSD:

Grondtoestandsdepletie

CSD:

Ladingstoestand depletie

FWHM:

Volle breedte op halve maximum

HPHT:

Hoge druk en hoge temperatuur

AOM:

Acousto-optische modulator