Grundzustands-Depletion-Nanoskopie von Stickstoff-Vakanzzentren in Nanodiamanten

Einführung

Stickstoff-Leerstellen (\({\text{NV}}^{ - }\)) Zentrum in Diamant, bestehend aus substituiertem Stickstoff mit einer benachbarten Leerstelle, hat ein breites Interesse in mehreren wissenschaftlichen und technologischen Bereichen geweckt, unter den bemerkenswertesten wie ein Quantenspeicher in zukünftigen Quantencomputern [1], ein sehr empfindliches Magnetometer [2] mit Anwendungen in der biomedizinischen Bildgebung lebender Zellen [3] und der Neuronenaktivität [4] sowie als Sonde auf atomarer Skala in verschiedenen hochauflösenden Bildgebungsverfahren B. die stimulierte Emissionsverarmungsmikroskopie (STED) und ihre Spinvariante, eine Variante der Grundzustandsverarmungsmikroskopie (GSD) [5,6,7] und die stochastische Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie (SMLM) mit nanometrischer Spinlokalisation [8]. Insbesondere Methoden, die die Beugungsgrenze in der Fluoreszenzmikroskopie überschreiten, stellen einen Paradigmenwechsel in der heutigen biomedizinischen Wissenschaft dar [9] und \({\text{NV}}^{ - }\) in Diamant hat in diesem Bereich eine relevante Rolle gespielt, da neuartige Nanosonde. Aufgrund der Inertheit, hohen Biokompatibilität, Robustheit und Photostabilität von \({\text{NV}}^{ - }\) Photolumineszenz mit hoher Quantenausbeute wurde es für Anwendungen in der Biomedizin und Biophotonik [10, 11] und in der Hirnmikroskopie [12] auch in ihrer Nanostrukturform, den Nanodiamanten (NDs) [13, 14]. NDs behalten ähnliche NV-Fluoreszenzeigenschaften des Wirtsmassediamanten bei, mit dem Vorteil, dass sie für hochaufgelöste Bildgebungsanwendungen in den Biowissenschaften besser kompatibel sind [15]. Aufgrund der Inhomogenität der Formen und der Stickstoffdotierung des Materials der derzeit massenproduzierten fluoreszierenden NDs, die im Vergleich zu massivem Diamant zu variablen Eigenschaften des NV führt und oft andere Verunreinigungen enthält, ist die hochauflösende Bildgebung mit NDs im Allgemeinen schwieriger als bei massivem Diamant .

Einschränkungen bei der Anwendung superauflösender Methoden auf NDs im Vergleich zu Rohdiamanten mit höherer Reinheit sind mit der Variabilität der photophysikalischen Eigenschaften des \({\text{NV}}^{ - }\) aufgrund der Inhomogenität des NDs-Stickstoffs verbunden Konzentration, Ladungsfallen und Konzentration anderer Verunreinigungen.

Die nanoskalige Abbildung von \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren in NDs wurde mit STED-Mikroskopie mit einer Verarmungsstrahlleistung von  > 650 mW gezeigt, um eine Auflösung von 20 nm zu erreichen [16, 17] (das Maximum Auflösung im Bulk wurde mit wenigen 3,7 GW/cm ² . erreicht [5]); jedoch ist eine Bildgebungsmodalität erforderlich, die eine Auflösung im Nanobereich mit optischen Intensitäten in der Größenordnung von μW erreicht, beispielsweise für die nanoskalige in-vivo-Zellbildgebung, um die Phototoxizität zu reduzieren. NDs haben den Vorteil, dass sie eine zelluläre Markierung ermöglichen, die mit der Bulk-Plattform nicht möglich ist und für die hochauflösende Bildgebung von Magnetfeldern mit SMLM verwendet wurde [18], die weniger phototoxisch ist als STED- oder GSD-Mikroskopie. Frühere superauflösende Bildgebung von \({\text{NV}}^{ - }\) in massivem Diamant unter Verwendung von GSD wurde durch Verarmung seines Grundzustands mit einem hochintensiven Strahl von 532 nm erreicht, der die Zentren in den lumineszierenden Zustand anregte; daher erfolgt die Verarmung des Grundzustands über den angeregten Zustand [7]. Dieser Ansatz erforderte jedoch auch sehr hohe optische Intensitäten, um eine Superauflösung zu erreichen (mehrere GW/cm ² um eine Auflösung  < 10 nm zu erreichen) und einen bildgebenden Rekonstruktionsalgorithmus, um ein positives Bild zu erzielen [19]. Eine Superauflösung mit geringer Leistung wurde mit einem Pikosekunden-gepulsten Laser erreicht, der die Ladungsumwandlung von \({\text{NV}}^{ - }\) in seinen neutralen Ladungszustand (\({\text{NV}}^{0 }\) mit einer Null-Phononenlinie bei 575 nm) in massivem Diamant, bekannt als Charge-State-Conversion (CSD) Depletion Nanoskopie [20, 21]; die durchschnittliche Leistung des Verarmungsstrahls betrug jedoch 1 mW, um eine Auflösung von 12 nm zu erreichen, und der Mechanismus scheint materialabhängig zu sein, d Bulk-Diamant.

Ein alternativer Ansatz zur GSD-Nanoskopie von \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren in Bulk-Diamant nutzte den metastabilen dunklen Zustand, um den Grundzustand mit viel geringerer Leistung über einen langlebigen metastabilen Zustand zu vernichten, wie ursprünglich vorgeschlagen in Ref. [22] und erstmals demonstriert in Lit. [23] in Säugerzellen mit dem organischen Farbstoff Atto532.

Das Prinzip der GSD ist die Deaktivierung der Fluoreszenz eines Fluoreszenzmarkers durch einen Zweistrahl-Ansatz. Der erste Strahl ist der Anregungs- oder Sondenstrahl, der das Fluorophor in den angeregten Zustand anregt, und der zweite Strahl ist der Hemmstrahl, der die Fluoreszenz ausschaltet. Die Deaktivierung der Fluoreszenz wird erreicht, indem die Population eines Fluorophors vorübergehend in einen metastabilen Zustand oder einen langlebigen Triplett-Zustand verschoben wird. Optische Übergänge zwischen metastabilen Singulett-Zuständen und Triplett-Zuständen erfordern einen Spin-Flip und werden daher optisch unterdrückt [23].

In Ref.-Nr. [24] wurde GSD durch kontinuierliches Pumpen des Zentrums von 25 auf 200 μW optischer Leistung eines CW-Rotlasers (638 nm) ermöglicht, der die \({\text{NV}}^{ - }\) in einen Nicht- fluoreszierender Zustand, indem er seinen langlebigen metastabilen Zustand besiedelt und so seinen Grundzustand verarmt, während ein blauer Laser (476 nm) verwendet wurde, um den dunklen metastabilen Zustand zu leeren, was Übergänge in höhere Energiezustände induziert. Auch hier wird der 638-nm-Laser verwendet, um das Zentrum, wenn auch nicht effizient, anzuregen und dann in seinen metastabilen Zustand zu versetzen. \({\text{NV}}^{ - }\) zeigte nur bei Anregung mit blauem und rotem Laser eine Lumineszenz. Mit 5 mW Verarmungslaserleistung wurde eine Auflösung von 16 nm erreicht, was viel niedriger ist als bei STED oder früheren GSD. Eine mögliche Einschränkung dieser Methode könnte die Abhängigkeit der Eigenschaften des metastabilen Zustands von verschiedenen Diamantarten mit weniger oder mehr Stickstoffgehalt oder sogar mehr in NDs sein, was ihre Anwendbarkeit einschränkt. In Ref.-Nr. [24], der Bulk-Diamant war ein optischer Diamant vom Typ IIa, der einer Stickstoffkonzentration von 500 ppm entspricht, weit höher als die neuere Arbeit zu CSD [21], die auf einer niedrigen Stickstoffkonzentration (< 5 ppb) beruht. . Die in Ref. [21] dass der dunkle Zustand von Lit. [24] ist der neutrale Ladungszustand des \({\text{NV}}^{ - }\) leidet daran, dass bei hoher Stickstoffkonzentration der NV ^−/0 Ladungsumwandlung wird unterdrückt [25] und NV befindet sich überwiegend im negativen Ladungszustand; außerdem ist die gemessene Lebensdauer des dunklen Zustands sehr lang und kann nicht auf einen Ladungsumwandlungsprozess zurückgeführt werden. Tatsächlich wurde CSD in kommerziellen fluoreszierenden NDs (abgeleitet von Hochdruck und Hochtemperatur, HPHT, Diamant) aufgrund ihrer hohen Stickstoffkonzentration, Ladungsinstabilität aufgrund anderer Defekte und photophysikalischer variabler Eigenschaften aufgrund des Fehlens von Materialkontrolle.

Der Mechanismus zur Etablierung der GSD-Nanoskopie wurde auch noch nicht mit \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren in NDs beschrieben, da die Hypothese, dass CSD in NDs nicht auftreten könnte, nicht auftreten kann.

In diesem Artikel zeigen wir, dass GSD in NDs durchgeführt werden kann, was die Abhängigkeit der GSD- und CSD-Methoden von der Diamant-Stickstoffkonzentration beweist und den Bedarf an NDs-Materialtechnik für spezifische Super-Resolution- und Spin-Sensing-Methoden weckt.

In diesem Artikel demonstrieren wir die GSD-Nanoskopie von \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren in NDs unter Verwendung eines ähnlichen Ein-/Ausschaltmechanismus, der erreicht wird, indem die Elektronen mit a . in den langlebigen metastabilen Zustand gebracht werden Dreistrahl-Ansatz und Verwendung von 300 μW, um den angeregten Zustand vollständig zu verringern und die maximale Auflösung zu erreichen. Hier zeigen wir, dass die Eigenschaften der \({\text{NV}}^{ - }\) in NDs die Anwendbarkeit dieser Methode nicht einschränken, wie zuvor angenommen [24]. Außerdem konnten wir zwei \({\text{NV}}^{ - }\) Zentren innerhalb derselben NDs unterscheiden, wie zuvor mit SMLM [26] und STED-Mikroskopie [17] gezeigt.

Um zu belegen, dass der Mechanismus der Grundzustandsverarmung in unserer Arbeit auf einen metastabilen Zustand mit dunklem Leben und nicht auf CSD zurückzuführen ist, werden wir die wichtigsten aktuellen Ergebnisse in Bezug auf die NV ^−/0 . zusammenfassen Ladezustandsumwandlung. In diesem Zusammenhang zur photoinduzierten Ionisation, Rekombination des NV ^–/0 Ladungszustände wurden gründlich untersucht und erwiesen sich als von der Anregungswellenlänge abhängig [27, 28], mit Ladungszustandsumschaltung für rote (oder blaue) Laseranregung, mit roter Anregung zum Umschalten des NV ⁻ in seinen neutralen Ladezustand. Dieses schnelle Schalten, das bei niedriger Laserleistung auftritt, wurde für die Implementierung von Nanoskopie mit Ladungszustandsverarmung [21] und stochastischer optischer Rekonstruktions-Nanoskopie [8] nur bei durch chemische Gasphasenabscheidung gewachsenem massivem Diamant verwendet, wo die Stickstoffkonzentration gut kontrolliert und im Allgemeinen sehr niedrig ist aufgrund von Niedertemperaturwachstum. Diese Schaltdynamik aufgrund der Anregungswellenlänge basierend auf der Ladungszustandsumwandlung des NV wurde in NDs nicht beobachtet [18, 26, 29], wo das Blinken auf Ladungsfallen zurückzuführen war, die durch mechanische Beschädigung während des Herstellungsprozesses erzeugt wurden (im Allgemeinen Absturz von HPHT mit hohem Stickstoffgehalt Konzentration Mikrodiamanten) oder andere Effekte im Zusammenhang mit Oxidation [26, 29,30,31] oder Nähe zu anderen Akzeptoren-Verunreinigungen [18, 32] und als solche nicht mit NV ^−/0 . verbunden Ladungsumwandlung. Es wurde auch gezeigt, dass NV ⁻ Die Ladungsumwandlung hängt auch stark von der Konzentration der Elektronendonator-Verunreinigungen im Diamantgitter ab, nämlich die Umwandlung des negativen Zustands in den neutralen Ladungszustand wird für eine hohe Konzentration der Donator-Verunreinigungen (Stickstoff) unterdrückt [25]. Tatsächlich wurde vorgeschlagen, Donor und Akzeptoren in Diamant zu verwenden, um den NV-Ladungszustand zu stabilisieren [33]. Die meisten dieser Studien wurden an Bulk-Diamant durchgeführt, und erst eine neuere Arbeit [34] zeigte, dass das Wachstum von NDs bei niedriger Temperatur einen geringeren Stickstoffeinbau erlaubt und sich als solche NDs wie reiner Bulk-Diamant mit starker Ladungszustandsänderung für Rot verhalten ( oder blau) Laseranregung, während Hochtemperaturwachstum mit mehr Stickstoffverunreinigungen diese Ladungsumwandlung deutlich unterdrückt.

In unseren NDs haben wir NV ^−/0 . nicht beobachtet Ladungsumwandlung durch Laserwellenlängenanregung, und wir schreiben den dunklen Zustand tatsächlich dem metastabilen Zustand zu, wie zuvor [24], auch angesichts der großen Größe der hier verwendeten NDs (~ 100 nm), ohne Blinken aufgrund der Oberfläche Ladungszustände, zusätzlich zu ihrer hohen Stickstoffkonzentration. Die hier untersuchten NDs werden kommerziell von HPHT-Mikrodiamanten mit einer mindestens inhomogenen Stickstoffkonzentration von 500 ppm abgeleitet. Der metastabile Zustand in Lit. [24] beweist auch seine sehr lange Lebensdauer von 150 s.

\({\text{NV}}^{ - }\) Zentren werden im Allgemeinen am besten mit 532 oder 561 nm angeregt, da sie eine Nulllinie der Phononen bei 637 nm besitzen [35], was dem Übergang zwischen einem Triplett-Grundzustand und einem angeregten entspricht Zustand, überwiegend ein spinerhaltender Übergang. Zusätzlich existiert ein metastabiler Singulett-Zustand [36] über den das Zentrum durch nichtstrahlenden Zerfall wandert. Die optische Übergangslebensdauer von \({\text{NV}}^{ - }\) in NDs beträgt etwa 22 ns [37] und ist damit länger im Vergleich zu derjenigen in Bulk-Diamant von 12 ns [35].

Ein Anregungs-(Sonden-)Strahl bei 594 nm fördert den Übergang vom Grundzustand in den angeregten Zustand, während ein Verarmungsstrahl bei 638 nm das Elektron von \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren von vorübergehend ablagert den angeregten Zustand in den metastabilen Zustand über nichtstrahlendes Intersystem Crossing (Abb. 1a). Die Verwendung von 594 nm als Sonde wird durch die minimale Veränderung der Dunkelzustandspopulation im Vergleich zur grünen (normalerweise 532 oder 561 nm) gerechtfertigt [24]. Diese Methode sättigt die Intersystem-Kreuzung effektiv und entleert den Grundzustand, wodurch die Anregung in den angeregten Zustand von \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren und die anschließende Emission von Fluoreszenz bei einer Sondierung mit 594 nm verhindert wird. Schließlich besiedelt ein blauer Laser bei 488 nm den angeregten Zustand wieder und verhindert so den anschließenden schnellen (ns) Zerfall in den Grundzustand [38].

a Prinzip der GSD in \({\text{NV}}^{ - }\) in NDs mit einem Prüfstrahl bei 594 nm (gelb), einem Verarmungsstrahl bei 638 nm (rot) und einem Rücksetzstrahl bei 488 nm ( Blau). GS-Grundzustand, angeregter ES-Zustand und metastabiler MS-Zustand des NV-Zentrums. Illustration eines NV-Zentrums in einem Nanodiamanten. b Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. Das System besteht aus einem selbstgebauten konfokalen Mikroskop mit drei Lasern, die bei den Wellenlängen 488 nm, 594 nm und 638 nm arbeiten. Eine Wirbelphasenplatte wandelt den 638 nm großen Verarmungsstrahl räumlich in einen Donut-Strahl um, um eine Verarmung nur um den beugungsbegrenzten Bereich herum sicherzustellen. c Charakterisierung akusto-optischer Modulatoren durch Messung der Pulsankunftszeiten jedes Lasers. d Schema der Pulssequenz, die in der GSD-Nanoskopie verwendet wird. Das Detektionsfenster ist mit dem Sondenstrahl bei 594 nm synchronisiert, um nur relevante Fluoreszenz zu erfassen. Die Pulslänge des 594-nm-Probenstrahls wurde auf 20 μs optimiert, da eine kürzere Pulslänge zu längeren Mittelungszeiten und längere Pulslängen zu einer weniger effizienten hochauflösenden Bildgebung führen würde. Der 488-nm-Reset-Strahl wurde auf 20 μs optimiert, da er vorzugsweise so kurz wie möglich ist, um die Gesamtpulssequenzzeit zu reduzieren, aber dennoch den langlebigen metastabilen Zustand effektiv zu leeren.

Ähnlich wie bei STED wird der Verarmungsstrahl in der transversalen Ebene räumlich zu einem Donut-Strahl geformt, um eine hochauflösende Bildgebung zu erreichen [24]. Die Auflösung d der GSD-Nanoskopie gehorcht Gl. [23]:

mit NA bezeichnet die numerische Apertur des Objektivs, \(I_{{\text{s}}}\) die Sättigungsintensität, bei der die Hälfte der Fluoreszenz verarmt ist und \(I_{{\text{D}}}^{\ max }\) der maximale Intensitätswert des Peaks, der an die Null grenzt.

Wir haben eine Bildauflösung von 36 nm für ein einzelnes \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentrum in ND gemessen, abhängig von der Intensität des Verarmungsstrahls. Außerdem wurden zwei \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren, die durch 72 nm getrennt sind, aufgelöst. Unsere Arbeit ist vielversprechend für die Fluoreszenz-Nanoskopie in lebenden Zellen mit NDs, die \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren als Biomarker enthalten.

Experimentelle Methoden

Für dieses Experiment wurde eine Suspension von Hochdruck-Hochtemperatur-(HPHT)-NDs mit einer Nenngröße von 100 nm [39, 40], säuregereinigt und in MilliQ-Lösung verdünnt, verwendet. Ein Volumen von 20 µl NDs-Lösung (1:200, verdünnt in MilliQ-Wasser) wurde auf ein mit Sauerstoffplasma gereinigtes Borsilikat-Deckglas tropfengegossen und an der Luft getrocknet [37]. Der Versuchsaufbau für die GSD-Nanoskopie bestand aus einem selbstgebauten konfokalen Mikroskop mit zwei Dauerstrichdiodenlasern bei den Wellenlängen 488 nm und 638 nm und einem Dauerstrich-Helium-Neon-(HeNe)-Laser bei einer Wellenlänge von 594 nm. In jedem der Strahlengänge wurde ein akusto-optischer Modulator (AOM) installiert, um aus den kontinuierlichen Lichtstrahlen optische Pulse zu erzeugen und diese gegeneinander zu synchronisieren. Nach der Ausbreitung durch die AOMs reinigte ein räumlicher Filter die räumlichen Strahlprofile. Eine Sekundärlinse kollimiert jeden Strahl zur weiteren Ausbreitung. Zuerst wurden die Laserstrahlen bei den Wellenlängen von 488 nm und 638 nm mit einem 532 nm langen dichroitischen Langpasslaser (Semrock-LPD01 532R) räumlich überlagert. Ein sekundäres dichroitisches (Semrock-R405/488/543/638) überlappte räumlich alle drei Strahlen, indem es die Wellenlängen von 488 nm und 638 nm reflektierte und die Wellenlänge von 594 nm durchließ. Das räumliche Strahlprofil des Verarmungsstrahls bei der Wellenlänge von 638 nm wurde mithilfe einer Phasenplatte in einen Donut-Strahl umgewandelt. Außerdem wurde eine Viertelwellenlängenplatte vor dem Objektiv platziert, um eine zirkulare Polarisation des Verarmungsstrahls sicherzustellen. Ein Ölimmersionsobjektiv mit hoher numerischer Apertur (NA = 1.4) wurde verwendet, um die NDs abzubilden. Ein dichroitischer (Semrock-LP02-671RU-25) trennte die Fluoreszenz der \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren von den Anregungswellenlängen und leitete sie zu einer Einzelphotonen-Lawinendiode (SPCM-AQRH .) -14FC) Detektor über eine als Pinhole fungierende Singlemode-Faser. Die schematische Darstellung des optischen Aufbaus ist in Abb. 1b dargestellt.

Goldnanopartikel mit einer durchschnittlichen Größe von 40 nm wurden auf ein Deckglas gegossen und abgebildet, um das räumliche Profil des Verarmungsstrahls zu untersuchen. Es wird eine Donut-förmige Punktverteilungsfunktion mit einem Ring hoher Intensität und einem lokalen Minimum in seiner Mitte beobachtet (Einschub in Abb. 1b).

Wir untersuchten zunächst die zeitliche Reaktion jedes Laserpulses. Die AOMs werden über LabVIEW mit einem Mehrkanal-Pulsgenerator (PulseBlasterESR-PRO) gesteuert, der die individuellen zeitlichen Eigenschaften jedes Laserstrahls sowie das Timing zwischen den drei Strahlen steuert. Aufgrund unterschiedlicher optischer Weglängen für jeden der Laser haben gleichzeitig erzeugte optische Pulse eine leicht versetzte Ankunftszeit am Detektor. Dies ermöglicht uns die zeitliche Kontrolle über alle drei Laserstrahlen im Submikrosekundenbereich.

Für die Anregungsstrahlen wurde eine Anstiegs- und Abfallzeit von 60 ns gemessen (Abb. 1c). Die optischen Pulse bei den Wellenlängen 594 nm und 638 nm kamen mit einem Abstand von 85 ns und 155 ns in Bezug auf den Puls bei 488 nm Wellenlänge an. Jeder der Laserpulse erzeugt Fluoreszenz, die von mehreren verschiedenen Quellen stammt, darunter das \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentrum, andere Verunreinigungen in der ND und Defekte im Deckglas. Für die GSD-Bildgebung ist nur die vom Anregungsstrahl erzeugte Fluoreszenz relevant. Die Fluoreszenz anderer Laserpulse trägt zum Rauschen des Fluoreszenzbildes bei. Aus diesem Grund wird eine Zeitsteuerung eingeführt, um Fluoreszenz zu eliminieren, die durch andere Laserpulse als den Sondenstrahl erzeugt wird. Dies wird erreicht, indem die Detektion mit der Pulsankunftszeit des Sondenstrahls gesteuert wird, die anderen Fluoreszenzquellen effektiv herausgefiltert und das Signal-Rausch-Verhältnis der Bildgebung erhöht wird.

Eine typische Pulssequenz für die GSD-Nanoskopie und das Detektionsfenster sind in Abb. 1d dargestellt. Das Ausschalten der Fluoreszenz der \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren wurde erreicht, indem Elektronen mit einem Verarmungspuls bei der Wellenlänge von 638 nm in den langlebigen Zustand gebracht wurden. Die Anregung von \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren im Subbeugungsbereich erfolgte durch einen Puls bei der Wellenlänge von 594 nm, während ein Puls bei 488 nm Wellenlänge die \({\text {NV}}^{ - }\) zentriert sich wieder in den angeregten Zustand. Eine Pulssequenz wurde 500-1000 Mal wiederholt, um ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu gewährleisten. Die Pulslängen lagen im Bereich von 10–20 μs für den Prüfstrahl (594 nm) und den Rücksetzstrahl (488 nm). Es wurde festgestellt, dass die optimale Pulslänge des Verarmungsstrahls  ~ 300 μs beträgt (Abb. 2d). Die Optimierung der Strahlpulsdauer basiert auf Ref. [24]; jedoch sollte eine systematischere Optimierung durchgeführt werden, um die endgültige Auflösung zu verbessern. Es wird erwartet, dass die Auflösung von der Impulsdauer des Inhibitionsstrahls abhängt, die durch die Lebensdauer des metastabilen Zustands begrenzt ist.

a Die Fluoreszenz eines einzelnen \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentrums basierend auf 488 nm und 638 nm Anregung. Die detektierte Fluoreszenz nimmt zu, wenn beide Laser gleichzeitig das \({\text{NV}}^{ - }\) Zentrum anregen. b Fluoreszenzabhängigkeit von der Verarmungsleistung. Eine Illustration der Pulssequenz ist im Einschub gezeigt. Fluoreszenz wird nur erkannt, wenn der Sondenlaser bei 594 nm eingeschaltet ist. c Antibunching-Kurve des \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentrums, die eine Korrelationsfunktion zweiter Ordnung zeigt < 0.5 eine Nullverzögerungszeit

Ergebnisse und Diskussion

Der Ein-/Ausschaltmechanismus wurde untersucht, indem ein \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentrum unter den Laserquellen bei den Wellenlängen 638 nm und 488 nm angeregt wurde (Abb. 2a). Eine Zunahme der Fluoreszenzemission von \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren wurde nur bei räumlicher Überlappung der beiden Strahlen nachgewiesen. Dieses Emissionsverhalten wurde unter der Annahme verstanden, dass der Strahl bei einer Wellenlänge von 638 nm vorzugsweise Elektronen im langlebigen Zustand ablegte, während der Strahl bei 488 nm eine spontane Emission zuließ (Abb. 1a). Wir haben eine kürzere Lebensdauer für den langlebigen Zustand von \({\text{NV}}^{ - }\) Zentren angenommen (die einzige Messung für NDs ist 33–127 ns aus Lit.[38], während der Singulett-Zustand Übergang ist 300 ns [41]) als die Lebensdauer des metastabilen Zustands in Bulk-Diamant (gemessen 150 s) [24] und viel länger als die Lebensdauer des angeregten Zustands [37].

Ein einzelnes \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentrum wurde mittels Anti-Bunching-Messung (Abb. 2c) ausgewählt, um die Leistung zu untersuchen, die der Verarmungsstrahl benötigt, um die Fluoreszenz in der Donut-Form effektiv zu löschen [42] . Ein Strahl mit einer Wellenlänge von 594 nm wurde hinzugefügt, um zu untersuchen, ob sich das einzelne \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentrum im eingeschalteten oder ausgeschalteten Zustand befand. Abbildung 2b zeigt die Fluoreszenzabhängigkeit des ausgewählten \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentrums von der Intensität des Verarmungsstrahls. Es wurde ein rascher Rückgang der Fluoreszenz beobachtet. Bei einer Verarmungsleistung von 151,2 μW wurde das \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentrum effektiv abgeschaltet.

Hier demonstrieren wir nach unserem Kenntnisstand zum ersten Mal die auf NDs angewendete GSD-Nanoskopie für die hochauflösende Bildgebung einzelner \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren.

Um eine Superauflösung über die GSD zu erreichen, werden alle von einem fokussierten Anregungsstrahl abgedeckten Emitter vorübergehend abgeschaltet, außer in einem subbeugungsgroßen Bereich, da die Überlappung des Donut-förmigen Verarmungsstrahls das Zentrum auf seinen langgestreckten Strahl überträgt. lebte im dunklen Zustand. Die erhaltene Auflösung kann durch das Profil in der Fokusebene quantifiziert werden, wo die Zentren „auf“ sind und sie skaliert gemäß Gl. (1), wobei \(I_{s}\) umgekehrt zur Lebensdauer der beteiligten Zustände und zum Hemmquerschnitt des optischen Abschaltübergangs skaliert [43, 44].

Abbildung 3a zeigt ein superaufgelöstes Fluoreszenzbild eines einzelnen \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentrums in einer ND (Abb. 2c). Die Halbwertsbreite (FWHM) beträgt 57 nm in x-Richtung und 42 nm in y-Richtung (Abb. 3c).

a Fluoreszenzbild eines superaufgelösten \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentrums basierend auf GSD-Nanoskopie. Verweilzeit 10 ms und 2 nm Pixelgröße. b Transversale Auflösung als Funktion der Verarmungsleistung. Die Diskrepanz zwischen Experiment und Theorie ist höchstwahrscheinlich auf Unvollkommenheiten im Wirtsmaterial und Veränderungen in der lokalen Umgebung von NDs im Vergleich zu massivem Diamant zurückzuführen. Die Theorie basiert auf NV-Zentren in Bulk-Diamant. c Bildquerschnittsprofile entlang der x- und y-Achse mit einer FWHM-Auflösung von 57 nm bzw. 42 nm. Die durchgezogene Linie stellt die beste Anpassung dar

Die Beziehung zwischen Verarmungsleistung und Auflösung ist in Abb. 3b dargestellt. Die theoretische Kurve basiert auf Gl. (1). Die zusätzliche Leistung, die erforderlich ist, um die \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentrumsfluoreszenz für die experimentellen Daten zu unterdrücken, wurde der lokalen Umgebung im ND-Wirt und einer kürzeren Lebensdauer des metastabilen Zustands zugeschrieben [38] im Vergleich zu Bulk . Es sei darauf hingewiesen, dass die maximale Auflösung von 42 nm bei 2,2 mW erreicht wird, während in Ref. [24] Eine Auflösung von 12 nm wurde mit 16 mW erreicht, was einer Spitzenintensität von 12 MW/cm ² . entspricht für den Verarmungsstrahl.

Darüber hinaus haben wir GSD-Nanoskopie angewendet, um die nanoskalige Bildgebung von zwei eng beieinander liegenden \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren zu demonstrieren. Abbildung 4a zeigt ein konfokales Bild von \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren. Bei der GSD-Nanoskopie werden zwei einzelne \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren mit nanoskaliger Auflösung abgebildet (Abb. 4b). Der Mittenabstand zwischen den beiden \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren beträgt 72 nm (Abb. 4c). Die FWHM für die beiden aufgelösten \({\text{NV}}^{ - }\) Zentren im y -Richtung ist 36 nm (Abb. 4d) bzw. 38 nm (Abb. 4e). Wir führten die Fehlausrichtung zwischen der Hauptachse der ND und den aufgelösten \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren auf eine mechanische Drift während der konfokalen Bildabtastung zurück.

a Konfokale Fluoreszenzkarte von 500 × 500 nm (Verweilzeit 2 ms und 1 nm Pixelgröße) und b superaufgelöstes Bild 300 × 300 nm des weißen Quadrats in (Verweilzeit 24 ms und 1 nm Pixelgröße) b von zwei \({\text{NV}}^{ - }\) Zentren. Der einzelne konfokale Spot wird in zwei separate schwache Fluoreszenzspots superaufgelöst. c Querschnitt entlang der X-Achse, der den Abstand von 72 nm zwischen den beiden Peaks zeigt, die den Positionen des Mitte-zu-Mitte-Abstands der beiden NV-Zentren entsprechen. d Querschnitte entlang der Y-Achse mit einer gemessenen FWHM-Auflösung von 36 nm und 38 nm, entsprechend \({\text{NV}}^{ - }\) 1 und \({\text{NV}}^{ - }\) 2 in b , bzw.

Schlussfolgerungen

In dieser Arbeit haben wir die GSD-Nanoskopie unter Verwendung des metastabilen Zustands des \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentrums in Nanodiamanten implementiert, was eine superaufgelöste Abbildung von \({\text{NV}}^{ - }\) Zentren. Ein einzelnes \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentrum mit einer FWHM von 36 nm wird aufgelöst. Die Skalierung der Auflösung in Bezug auf die Intensität des Verarmungsstrahls wird ebenfalls gezeigt und die maximale Superauflösung wird mit 2,2 mW Verarmungsleistung erreicht. Darüber hinaus wurden zwei \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren im Abstand von 72 nm aufgelöst. Dieses Ergebnis eröffnet die Möglichkeit, die dipolare Kopplung zwischen eng beieinander liegenden \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren zu untersuchen [45], die Fähigkeit zur hochauflösenden Quantensensorik basierend auf dem \({\text{ NV}}^{ - }\) Spineigenschaften [6, 18, 46,47,48] sowie andere multifunktionale Sensoranwendungen basierend auf Bulk-Diamant [49] erweitert auf NDs [50].

In dieser Arbeit haben wir auch gezeigt, dass die Stickstoffkonzentration in Diamant die Grundlage der GSD- und CSD-Mechanismen für Superauflösung ist, die in hoch- bzw. niedrig stickstoffdotiertem Diamant erreicht werden. Als solche sollten konstruierte NDs für die spezifische Methode folgen. Es versteht sich, dass CSD aufgrund der geringen Stickstoffkonzentration leichter auf die Spin-Erfassung angewendet werden kann; jedoch die NV ⁰ Ladungszustand würde die Quantensensoreigenschaften von CSD einschränken, während die Stabilisierung des Ladungszustands von \({\text{NV}}^{ - }\) unter Verwendung anderer Donatoren als Stickstoff eine viel höhere Empfindlichkeit der auf Spinquanten angewendeten GSD bringen könnte Wahrnehmung.

Die GSD-Nanoskopie von \({\text{NV}}^{ - }\)-Zentren in NDs verwendet eine niedrige Leistung (~ 300 μW) für die optischen Intensitäten im Vergleich zu massivem Diamant und ist besser für biologische Proben geeignet. Die GSD-Auflösung kann verbessert werden durch Bestimmung der optimalen Stickstoffdotierung [34], durch Untersuchung des Effekts der Oberflächenpassivierung und anderer Verunreinigungen auf die \({\text{NV}}^{ - }\) in NDs metastabiler Zustandslebensdauer und durch Entwicklung von NDs mit weniger photolumineszenten Verunreinigungen.

In Bezug auf die Spinsensorik begrenzt die hohe Stickstoffkonzentration in derzeit kommerziell erhältlichen NDs, die von HPHT und Mikrodiamanten mit hohem Stickstoffgehalt abgeleitet sind, die Spinsensitivität aufgrund eines reduzierten optisch detektierten Magnetresonanzkontrasts [34]. Daher sollten andere Dotierstoffe in Betracht gezogen werden, um den Ladungszustand \({\text{NV}}^{ - }\) zu stabilisieren, ohne Dekohärenz einzuführen [50, 51].

Schließlich könnte die Kombination dieser Methode mit der Mikrowellenanregung [18, 52,53,54] einen alternativen Ansatz für die superaufgelöste optisch-magnetische Bildgebung in den Biowissenschaften bieten, wenn die aktuellen Materialeigenschaften von NDs besser für diese Anwendung entwickelt werden könnten.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die in der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Abkürzungen

NDs:

Nanodiamanten

NV:

Stickstoff-Leerstelle

STED:

Stimulierte Emissionsverarmung

GSD:

Grundzustandsverarmung

CSD:

Ladezustandserschöpfung

FWHM:

Volle Breite auf halbem Maximum

HPHT:

Hochdruck und hohe Temperatur

AOM:

Akusto-optischer Modulator