Высокоразрешающая визуализация выделением основного состояния NV-центров в нанодиамантах

Аннотация

Отрицательно заряженный азот-вакансный (NV⁻) центр в нанодиамандах (NDs) недавно изучался для применений в клеточной визуализации благодаря своей лучшей фотостабильности и биосовместимости по сравнению с другими флуорофорами. Сверхразрешающая визуализация, достигающая 20-нм разрешения NV⁻ в NDs, была доказана за годы с использованием субдифракционных подходов к визуализации, таких как стохастическая локализация отдельных молекул и стимулированное излучение деплеции (STED). Здесь мы показываем первую демонстрацию наноскопии выделением основного состояния (GSD) этих центров в NDs с использованием трех пучков: зондирующего пучка, пучка выделения и пучка сброса. Пучок выделения на 638 нм загоняет NV⁻ центры в метастабильное темное состояние везде, кроме локального минимума, в то время как гауссов пучок на 594 нм зондирует NV⁻ центры, а 488-нм пучок сброса используется для репопуляции возбужденного состояния. Сверхразрешающая визуализация отдельного NV⁻ центра с полной шириной на полвысоте максимума (FWHM) 36 нм демонстрируется, и два смежных NV⁻ центра, разделенные 72 нм, разрешаются. GSD микроскопия здесь применяется к NV⁻ в NDs с гораздо более низкой оптической мощностью по сравнению с объемным алмазом. Эта работа демонстрирует необходимость контроля азотной концентрации в NDs для адаптации их применения в методах сверхразрешающей визуализации и пролагает путь для изучения наномасштабных взаимодействий NV⁻ в NDs.

Введение

Азот-вакансный (NV⁻) центр в алмазе, состоящий из заместительного азота с соседней вакансией, привлек широкий интерес в нескольких научных и технологических областях, среди наиболее заметных как квантовая память в будущих квантовых компьютерах [1], сверхчувствительный магнитометр [2] с применениями в биомедицинской визуализации живых клеток [3] и активности нейронов [4], и как атомный зонд в различных методах сверхразрешающей визуализации, таких как микроскопия стимулированной излучения деплеции (STED) и ее спиновая вариация, вариация микроскопии выделением основного состояния (GSD) [5–7] и стохастическая локализация отдельных молекул (SMLM) с нанометрической спиновой локализацией [8]. В частности, методы, преодолевающие дифракционный предел в флуоресцентной микроскопии, представляют смену парадигмы в современной биомедицинской науке [9], и NV⁻ в алмазе сыграл соответствующую роль в этой области как новый нанозонд. Благодаря инертности алмаза, высокой биосовместимости, надежности и фотостабильности фоtolюминесценции NV⁻ с высоким квантовым выходом, он широко исследовался для применений в биомедицинской науке и биофотонке [10, 11] и в микроскопии мозга [12] также в его наноструктурной форме, известной как нанодиаманды (NDs) [13, 14]. NDs сохраняют похожие флуоресцентные свойства NV родительского объемного алмаза с преимуществами большей совместимости для применений сверхразрешающей визуализации в علوم жизни [15]. Однако из-за неоднородности в формах и азотном легировании массово производимых флуоресцентных NDs, индуцирующей переменные свойства NV по сравнению с объемным алмазом и часто содержащей другие примеси, сверхразрешающая визуализация с использованием NDs обычно более сложна по сравнению с объемным алмазом.

Ограничения применения сверхразрешающих методов к NDs по сравнению с более чистым объемным алмазом ассоциируются с изменчивостью фото-физических свойств NV⁻ из-за неоднородности азотной концентрации NDs, зарядовых ловушек и концентрации других примесей.

Наномасштабная визуализация NV⁻ центров в NDs была продемонстрирована с STED микроскопией с мощностью пучка выделения > 650 мВт для достижения 20-нм разрешения [16, 17] (максимальное разрешение в объеме достигалось с несколькими 3,7 ГВт/см² [5]); однако необходима модальность визуализации, достигающая наномасштабного разрешения с оптическими интенсивностями в порядке мкВт, например, для наномасштабной ин виво клеточной визуализации для снижения фототоксичности. NDs имеют преимущество возможности клеточной маркировки, невозможной с объемной платформой, и использовались для сверхразрешающей визуализации магнитного поля с использованием SMLM [18], которое менее фототоксично, чем STED или GSD микроскопия. Предыдущая сверхразрешающая визуализация NV⁻ в объемном алмазе с использованием GSD достигалась выделением его основного состояния с использованием высокоинтенсивного пучка 532 нм, возбуждающего центры в люминесцентное состояние; поэтому выделение основного состояния происходит через возбужденное состояние [7]. Однако этот подход также требовал очень высоких оптических интенсивностей для достижения сверхразрешения (несколько ГВт/см² для достижения разрешения < 10 нм) и алгоритма реконструкции изображения для достижения положительного изображения [19]. Низкоэнергетическое сверхразрешение было достигнуто с использованием пикосекундного импульсного лазера, индуцирующего зарядовое преобразование NV⁻ в его нейтральное зарядовое состояние (NV⁰ с нулевой фононной линией при 575 нм) в объемном алмазе, известном как деплеция зарядовым состоянием (CSD) наноскопия [20, 21]; однако средняя мощность пучка выделения была 1 мВт для достижения 12-нм разрешения, и механизм кажется материально-зависимым, то есть ультра-низкая азотная концентрация (ниже 5 ppb [21]), обычно достигаемая в электронном качестве химическое паровое осаждение объемного алмаза.

Альтернативный подход к GSD наноскопии NV⁻ центров в объемном алмазе использовал метастабильное темное состояние для выделения основного состояния с гораздо более низкой мощностью через долгоживущее метастабильное состояние, как изначально предложено в Ref. [22] и впервые продемонстрировано в Ref. [23] в млекопитающей клетке с использованием органического красителя Atto532.

Принцип GSD — деактивация флуоресценции флуоресцентного маркера через двухпучечный подход. Первый пучок — возбуждающий или зондирующий пучок, который возбуждает флуорофор в возбужденное состояние, а второй пучок — ингибирующий пучок, который выключает флуоресценцию. Деактивация флуоресценции достигается путем временного размещения популяции флуорофора в метастабильное состояние или долгоживущее триплетное состояние. Оптические переходы между синглетными метастабильными состояниями и триплетными состояниями требуют спинового переворота и поэтому оптически подавлены [23].

В Ref. [24] GSD был реализован путем непрерывного качания центра от 25 до 200 мкВт оптической мощности от CW красного лазера (638 нм), который переводит NV⁻ в не-флуоресцентное состояние, населяя его долгоживущее метастабильное состояние, таким образом выделяя его основное состояние, в то время как синий лазер (476 нм) использовался для опустошения темного метастабильного состояния, индуцируя переходы в более высокие энергетические состояния. Здесь 638-нм лазер также используется для возбуждения центра, даже если неэффективно, и затем размещения его в метастабильном состоянии. NV⁻ показывал люминесценцию только при возбуждении обоими синим и красным лазерами. Разрешение 16 нм было достигнуто с 5 мВт мощности лазера выделения, что намного ниже, чем использовалось в STED или предыдущем GSD. Одно возможное ограничение этого метода может быть зависимостью свойств метастабильного состояния от разных типов алмаза с меньшим или большим азотным содержанием, или даже большим в NDs, ограничивая его применимость. В Ref. [24] объемный алмаз был типом IIa оптического качества алмаза, что соответствует азотной концентрации 500 ppm, гораздо выше, чем более недавняя работа по CSD [21], которая опирается на низкую азотную концентрацию (< 5 ppb). Утверждение, сообщенное в Ref. [21], что темное состояние Ref. [24] является нейтральным зарядовым состоянием NV⁻, страдает от неучет того, что при высокой азотной концентрации NV⁻/⁰ зарядовое преобразование подавлено [25] и NV преимущественно в своем отрицательном зарядовом состоянии; кроме того, измеренное время жизни темного состояния очень длинное и не может быть атрибутировано процессу зарядового преобразования. Фактически, CSD еще не был доказан в коммерческих флуоресцентных NDs (производных от высокого давления и высокой температуры, HPHT, алмаза) из-за их высокой азотной концентрации, зарядовой нестабильности из-за других дефектов и переменных фото-физических свойств из-за отсутствия материального контроля.

Механизм установки GSD наноскопии также еще не был сообщен с NV⁻ центрами в NDs из-за гипотезы, что CSD не могло произойти в NDs.

В этой статье мы показываем, что GSD может быть выполнен в NDs, доказывая зависимость GSD и CSD методов от азотной концентрации в алмазе и подталкивая к необходимости материаловедения NDs для специфических сверхразрешающих и спиновых сенсорных методов.

В этой статье мы демонстрируем GSD наноскопию NV⁻ центров в NDs, используя похожий включения/выключения флуоресцентного переключения механизм, достигнутый путем размещения электронов в долгоживущем метастабильном состоянии с использованием трехпучечного подхода и используя 300 мкВт для полного выделения возбужденного состояния и достижения максимального разрешения. Здесь мы показываем, что свойства NV⁻ в NDs не ограничивают применимость этого метода, как ранее думали [24]. Кроме того, мы смогли отличить два NV⁻ центра в одном ND, как показано ранее с использованием SMLM [26] и STED микроскопии [17].

Для подтверждения того, что механизм выделения основного состояния в нашей работе обусловлен долгоживущим метастабильным состоянием, а не CSD, мы резюмируем ключевые недавние результаты в отношении NV⁻/⁰ зарядового преобразования. В этом отношении фотоиндуцированная ионизация, рекомбинация NV⁻/⁰ зарядовых состояний была тщательно изучена и найдена зависимой от длины волны возбуждения [27, 28], с зарядовым переключением для красной (или синей) лазерной возбуждения, с красной возбуждением используемым для переключения NV⁻ в его нейтральное зарядовое состояние. Это быстрое переключение, происходящее при низкой лазерной мощности, использовалось для реализации деплеции зарядовым состоянием наноскопии [21] и стохастической оптической реконструкции наноскопии [8] только в объемном алмазе, выращенном химическим паровым осаждением, где азотная концентрация хорошо контролируется и обычно очень низкая из-за низкотемпературного роста. Эта динамика переключения из-за зарядового преобразования NV на основе длины волны возбуждения не наблюдалась в NDs [18, 26, 29], где мерцание было обусловлено зарядовыми ловушками, производимыми механическим повреждением в процессе фабрикации (обычно дроблением HPHT высокоазотных микродиамантов) или другими эффектами, ассоциированными с оксидацией [26, 29–31] или близостью с другими акцепторными примесями [18, 32], и как таковое не связано с NV⁻/⁰ зарядовым преобразованием. Также было продемонстрировано, что NV⁻ зарядовое преобразование также сильно зависит от концентрации донорских примесей в алмазной решетке, а именно отрицательное состояние преобразования в нейтральное зарядовое состояние подавлено для высокой концентрации донорских примесей (Азот) [25]. Фактически, было предложено использовать доноры и акцепторы в алмазе для стабилизации NV зарядового состояния [33]. Большинство этих исследований проводились в объемном алмазе и только недавняя работа [34] показала, что рост NDs при низкой температуре позволяет более низкое азотное включение, и как таковые NDs ведут себя как чистый объемный алмаз с сильным зарядовым переключением для красной (или синей) лазерной возбуждения, в то время как высокотемпературный рост, включающий больше азотных примесей, значительно подавляет это зарядовое преобразование.

В наших NDs мы не наблюдали NV⁻/⁰ зарядового преобразования из-за лазерной возбуждения длины волны, и мы атрибутируем темное состояние действительно метастабильному состоянию, как делали ранее [24], также ввиду большого размера здесь используемых NDs (~ 100 нм), без мерцания из-за поверхностных зарядовых состояний, и более важно, их высокой азотной концентрации. Здесь изучаемые NDs коммерчески производятся из HPHT микродиамантов с по крайней мере неоднородной 500 ppm азотной концентрацией. Метастабильное состояние в Ref. [24] также доказано его очень долгим временем жизни 150 с.

NV⁻ центры обычно лучше возбуждаются с использованием 532 или 561 нм, так как они обладают нулевой фононной линией при 637 нм [35], соответствующей переходу между триплетным основным состоянием и возбужденным состоянием, преимущественно спин-консервативным переходом. Кроме того, существует синглетное метастабильное состояние [36], через которое центр транзитирует через нерадиационный распад. Оптическое время жизни перехода NV⁻ в NDs составляет около 22 нс [37], длиннее по сравнению с тем в объемном алмазе 12 нс [35].

Возбуждающий (зондирующий) пучок на 594 нм способствует переходу из основного состояния в возбужденное состояние, в то время как пучок выделения на 638 нм временно размещает электрон NV⁻ центров из возбужденного состояния в метастабильное состояние через нерадиационное межсистемное пересечение (Рис. 1a). Использование 594 нм как зонда обосновано его минимальным изменением популяции темного состояния по сравнению с зеленым (обычно 532 или 561 нм) [24]. Этот метод эффективно насыщает межсистемное пересечение и опустошает основное состояние, предотвращая возбуждение в возбужденное состояние NV⁻ центров и последующее излучение флуоресценции, когда зондируется 594 нм. Наконец, синий лазер на 488 нм репопулярует возбужденное состояние, ингибируя последующий быстрый (нс) распад в основное состояние [38].

a Принцип GSD в NV⁻ в NDs с использованием зондирующего пучка на 594 нм (желтый), пучка выделения на 638 нм (красный) и пучка сброса на 488 нм (синий). GS основное состояние, ES возбужденное состояние и MS метастабильное состояние NV центра. Иллюстрация NV центра в нанодиаманде. b Схематическое представление экспериментальной установки. Система состоит из домашнего конфокального микроскопа с тремя лазерами, работающими на длинах волн 488 нм, 594 нм и 638 нм. Фазовая пластина вихря пространственно инженерит 638-нм пучок выделения в пончикобразный пучок для обеспечения выделения только вокруг дифракционно-лимитированной области. c Характеризация акусто-оптических модуляторов путем измерения времен прибытия импульсов каждого лазера. d Схема импульсной последовательности, используемой в GSD наноскопии. Окно детекции синхронизировано с зондирующим пучком на 594 нм для сбора только релевантной флуоресценции. Длина импульса 594-нм зондирующего пучка оптимизирована на 20 мкс, так как более короткая длина импульса привела бы к более длинным временам усреднения, а более длинные длины импульсов привели бы к менее эффективной сверхразрешающей визуализации. 488-нм пучок сброса оптимизирован на 20 мкс, так как предпочтительно иметь его как можно короче для уменьшения общего времени импульсной последовательности, но все еще эффективно опустошать долгоживущее метастабильное состояние

Аналогично STED, пучок выделения пространственно инженерится в пончикобразный пучок в поперечной плоскости для достижения сверхразрешающей визуализации [24]. Разрешение d GSD наноскопии подчиняется Уравнению [23]:

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

где NA обозначает числовую апертуру объектива, \(I_{{\text{s}}}\) — насыщающая интенсивность, при которой половина флуоресценции выделена, и \(I_{{\text{D}}}^{\max }\) — максимальное значение интенсивности пика, граничащего с нулем.

Мы измерили разрешение визуализации 36 нм для отдельного NV⁻ центра в ND в зависимости от интенсивности пучка выделения. Кроме того, два NV⁻ центра, разделенные 72 нм, были разрешены. Наша работа многообещающа для флуоресцентной наноскопии внутри живых клеток с NDs, содержащими NV⁻ центры как биомаркеры.

Экспериментальные методы

Для этого эксперимента использовалась суспензия высокого давления и высокой температуры (HPHT) NDs номинально 100 нм в размере [39, 40], очищенная кислотой и разбавленная в растворе MilliQ. Объем 20 мкл раствора NDs (1:200 разбавлен в MilliQ воде) был капельно нанесен на очищенную кислородной плазмой борсиликатную стеклянную подложку и сушен на воздухе [37]. Экспериментальная установка для GSD наноскопии состояла из домашнего конфокального микроскопа с двумя непрерывноволновыми диодными лазерами на длинах волн 488 нм и 638 нм и непрерывноволновым гелий-неоновым (HeNe) лазером на длине волны 594 нм. В каждом из путей пучка устанавливался акусто-оптический модулятор (AOM) для создания оптических импульсов из непрерывных световых пучков и их синхронизации относительно друг друга. После прохождения через AOMы, пространственный фильтр очищал пространственные профили пучков. Вторичная линза коллимировала каждый пучок для дальнейшего распространения. Сначала лазерные пучки на длинах волн 488 нм и 638 нм пространственно накладывались с использованием 532-нм длинноволнового дихроического плоского зеркала для лазера (Semrock-LPD01 532R). Вторичное дихроическое зеркало (Semrock-R405/488/543/638) пространственно накладывало все три пучка, отражая 488 нм и 638 нм длины волн и передавая 594 нм длину волны. Пространственный профиль пучка выделения на длине волны 638 нм инженерился в пончикобразный пучок с использованием фазовой пластины. Кроме того, четвертьволновая пластина размещалась перед объективом для обеспечения круговой поляризации пучка выделения. Высокое числовая апертура (NA = 1,4) масло-иммерсионный объектив использовался для визуализации NDs. Дихроическое зеркало (Semrock-LP02-671RU-25) отделяло флуоресценцию NV⁻ центров от длины волн возбуждения и перенаправляло ее к однофотонному лавинному диоду (SPCM-AQRH-14FC) детектору через однорежимное волокно, действующее как пинхол. Схематическое представление оптической установки показано на Рисунке 1b.

Золотые наночастицы среднего размера 40 нм капельно наносились на стеклянную подложку и визуализировались для исследования пространственного профиля пучка выделения. Наблюдалась пончикобразная точечная функция рассеяния с кольцом высокой интенсивности и локальным минимумом в центре (вставка Рисунка 1b).

Сначала мы исследовали временной отклик каждого лазерного импульса. AOMы управлялись через LabVIEW с использованием много канального генератора импульсов (PulseBlasterESR-PRO), который контролирует индивидуальные временные свойства каждого лазерного пучка, а также тайминг между тремя пучками. Из-за разных оптических длин путей для каждого из лазеров, оптические импульсы, генерируемые одновременно, имеют слегка смещенное время прибытия к детектору. Это позволяет нам иметь временной контроль над всеми тремя лазерными пучками на суб-микросекундном масштабе времени.

Время нарастания и спада 60 нс измерялось для возбуждающих пучков (Рис. 1c). Оптические импульсы на длинах волн 594 нм и 638 нм прибывали с разделением 85 нс и 155 нс относительно импульса на длине волны 488 нм. Каждый из лазерных импульсов генерирует флуоресценцию, исходящую из нескольких разных источников, включая NV⁻ центр, другие примеси в ND и дефекты внутри стеклянной подложки. Только флуоресценция, генерируемая возбуждающим пучком, релевантна для GSD визуализации. Флуоресценция от других лазерных импульсов вносит вклад в шум флуоресцентного изображения. По этой причине вводится временной гейтинг для устранения флуоресценции, генерируемой лазерными импульсами, отличными от зондирующего пучка. Это достигается через гейтинг детекции со временем прибытия импульса зондирующего пучка, эффективно фильтруя другие флуоресцентные источники и увеличивая отношение сигнал/шум визуализации.

Типичная импульсная последовательность для GSD наноскопии и окно детекции даны на Рисунке 1d. Выключение флуоресценции NV⁻ центров достигалось путем размещения электронов в долгоживущее состояние с импульсом выделения на длине волны 638 нм. Возбуждение NV⁻ центров в субдифракционной области обеспечивалось импульсом на длине волны 594 нм, в то время как импульс на длине волны 488 нм сбрасывал NV⁻ центры обратно в возбужденное состояние. Импульсная последовательность повторялась 500–1000 раз для обеспечения высокого отношения сигнал/шум. Длины импульсов были в диапазоне 10–20 мкс для зондирующего пучка (594 нм) и пучка сброса (488 нм). Оптимальная длина импульса пучка выделения найдена ~ 300 мкс (Рис. 2d). Оптимизация длительностей импульсов пучков основана на Ref. [24]; однако более систематическая оптимизация должна быть выполнена для улучшения конечного разрешения. Ожидается, что разрешение зависит от длительности импульса ингибирующего пучка, который ограничен временем жизни метастабильного состояния.

a Флуоресценция отдельного NV⁻ центра на основе 488 нм и 638 нм возбуждения. Детектированная флуоресценция увеличивается, когда оба лазера одновременно возбуждают NV⁻ центр. b Зависимость флуоресценции от мощности выделения. Иллюстрация импульсной последовательности показана во вставке. Флуоресценция детектируется только когда зондирующий лазер на 594 нм включен. c Антибанчинг кривая NV⁻ центра, показывающая функцию второй порядка корреляции < 0,5 при нулевом времени задержки

Результаты и обсуждение

Механизм включения/выключения был исследован возбуждением NV⁻ центра под лазерными источниками на длинах волн 638 нм и 488 нм (Рис. 2a). Увеличение излучения флуоресценции NV⁻ центров детектировалось только когда два пучка пространственно накладывались. Это излучающее поведение понималось, предполагая, что пучок на длине волны 638 нм предпочтительно размещал электроны в долгоживущее состояние, в то время как пучок на 488 нм позволял стимулированное излучение (Рис. 1a). Мы предполагали время жизни для долгоживущего состояния NV⁻ центров короче (единственное измерение для NDs 33–127 нс из ref.[38], в то время как синглетный переход состояния 300 нс [41]) чем время жизни метастабильного состояния в объемном алмазе (измеренное 150 с) [24] и намного длиннее времени жизни возбужденного состояния [37].

Отдельный NV⁻ центр выбирался с использованием антибанчинга (Рис. 2c) измерения для изучения мощности, требуемой для пучка выделения для эффективного гашения флуоресценции в пончикобразной форме [42]. Пучок на длине волны 594 нм добавлялся для зондирования, был ли отдельный NV⁻ центр в его включенном или выключенном состоянии. Рисунок 2b показывает зависимость флуоресценции выбранного NV⁻ центра от интенсивности пучка выделения. Быстрое снижение флуоресценции наблюдалось. При мощности выделения 151,2 мкВт NV⁻ центр эффективно выключался.

Здесь, впервые на наше знание, мы демонстрируем GSD наноскопию, примененную к NDs для сверхразрешающей визуализации отдельных NV⁻ центров.

Для достижения сверхразрешения через GSD, все излучатели, покрытые сфокусированным возбуждающим пучком, временно выключаются, кроме субдифракционного региона, из-за наложения пончикобразного пучка выделения, переводящего центр в его долгоживущее темное состояние. Полученное разрешение может быть количественно определено профилем в фокальной плоскости, где центры «включены», и оно масштабируется согласно Уравнению (1), где \(I_{s}\) обратно пропорционально времени жизни вовлеченных состояний и с сечением переключения оптического выключения [43, 44].

Рисунок 3a показывает сверхразрешенное флуоресцентное изображение отдельного NV⁻ центра в ND (Рис. 2c). Полная ширина на полвысоте максимума (FWHM) составляет 57 нм в x-направлении и 42 нм в y-направлении (Рис. 3c).

a Флуоресцентное изображение сверхразрешенного NV⁻ центра на основе GSD наноскопии. Время пребывания 10 мс и размер пикселя 2 нм. b Поперечное разрешение как функция мощности выделения. Расхождение между экспериментом и теорией скорее всего обусловлено несовершенствами в хозяине материала и изменениями в локальном окружении NDs по сравнению с объемным алмазом. Теория основана на NV центрах в объемном алмазе. c Профили поперечных сечений изображения вдоль оси x и оси y с FWHM разрешением 57 нм и 42 нм соответственно. Сплошная линия представляет наилучшее приближение

Зависимость между мощностью выделения и разрешением показана на Рисунке 3b. Теоретическая кривая основана на Уравнении (1). Дополнительная мощность, требуемая для подавления флуоресценции NV⁻ центра для экспериментальных данных, атрибутировалась локальному окружению в хозяине ND и более короткому времени жизни метастабильного состояния [38] по сравнению с объемным. Отмечается, что максимальное разрешение 42 нм достигается при 2,2 мВт, в то время как в Ref. [24] 12-нм разрешение достигалось с 16 мВт, соответствующим пиковой интенсивности 12 МВт/см² для пучка выделения.

Далее, мы применили GSD наноскопию для демонстрации наномасштабной визуализации двух близко расположенных NV⁻ центров. Рисунок 4a показывает конфокальное изображение NV⁻ центров. Под GSD наноскопией два отдельных NV⁻ центра визуализируются с наномасштабным разрешением (Рис. 4b). Расстояние центр-центр между двумя NV⁻ центрами составляет 72 нм (Рис. 4c). FWHM для двух разрешенных NV⁻ центров в y-направлении составляет 36 нм (Рис. 4d) и 38 нм соответственно (Рис. 4e). Мы атрибутировали несовпадение между главной осью ND и разрешенными NV⁻ центрами механическому дрейфу во время конфокального сканирования изображения.

a Конфокальная флуоресцентная карта 500 × 500 нм (время пребывания 2 мс и размер пикселя 1 нм) и b сверхразрешенное изображение 300 × 300 нм белого квадрата в (время пребывания 24 мс и размер пикселя 1 нм) b двух NV⁻ центров. Индивидуальное конфокальное пятно сверхразрешается в два отдельных тусклых флуоресцентных пятна. c Поперечное сечение вдоль оси X, показывающее разделение 72 нм между двумя пиками, соответствующими местоположениям центр-центр расстояния двух NV центров. d Поперечные сечения вдоль оси Y с измеренным FWHM разрешением 36 нм и 38 нм, соответствующих NV⁻ 1 и NV⁻ 2 в b соответственно

Заключения

В этой работе мы реализовали GSD наноскопию, используя метастабильное состояние NV⁻ центра в нанодиамандах, показывая сверхразрешенную визуализацию NV⁻ центров. Отдельный NV⁻ центр с FWHM 36 нм разрешается. Масштабирование разрешения относительно интенсивности пучка выделения также показано, и максимальное сверхразрешение достигается с 2,2 мВт мощности выделения. Кроме того, два NV⁻ центра, разделенные 72 нм, были разрешены. Этот результат открывает возможность исследования диполярного сцепления между близко расположенными NV⁻ центрами [45], способности для высокого пространственного разрешения квантового сенсирования на основе спиновых свойств NV⁻ [6, 18, 46–48] а также других многофункциональных сенсорных применений на основе объемного алмаза [49], расширенных к NDs [50].

В этой статье мы также показали, что азотная концентрация в алмазе лежит в основе GSD и CSD механизмов для сверхразрешения, которые достигаются в высокоазотном и низкоазотном легированном алмазе соответственно. Как таковые, сконструированные NDs для специфического метода должны следовать. Понятно, что CSD может быть легче применено к спиновому сенсированию из-за низкой азотной концентрации; однако NV⁰ зарядовое состояние ограничило бы квантовые сенсорные свойства CSD, в то время как стабилизация зарядового состояния NV⁻ с использованием других доноров, кроме азота, могла бы принести гораздо более высокую чувствительность GSD, примененного к спиновому квантовому сенсированию.

GSD наноскопия NV⁻ центров в NDs использует низкую мощность (~ 300 мкВт) для оптических интенсивностей по сравнению с объемным алмазом, и она более подходит для биологических образцов. GSD разрешение может быть улучшено определением оптимального азотного легирования [34], изучением эффекта поверхностной пассивации и других примесей на время жизни метастабильного состояния NV⁻ в NDs и инженерией NDs с меньшими фото люминесцентными примесями.

Что касается спинового сенсирования, высокая азотная концентрация в текущих коммерческих NDs, производных от HPHT и высокоазотных микродиамантов, ограничивает спиновую чувствительность через уменьшенный оптически детектируемый магнитный резонанс контраст [34]. Как таковые, другие доноры должны быть рассмотрены для стабилизации NV⁻ зарядового состояния без введения декогеренции [50, 51].

Наконец, комбинирование этого метода с микроволновым возбуждением [18, 52–54] может предоставить альтернативный подход для сверхразрешенной оптической магнитной визуализации в науке о жизни, если текущие материальные свойства NDs могут быть лучше спроектированы для этого применения.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, использованные и/или проанализированные во время текущего исследования, доступны у соответствующего автора по разумному запросу.

Аббревиатуры

NDs:

Нанодиаманды

NV:

Азот-вакансный

STED:

Стимулированное излучение деплеции

GSD:

Выделение основного состояния

CSD:

Выделение зарядовым состоянием

FWHM:

Полная ширина на полвысоте максимума

HPHT:

Высокое давление и высокая температура

AOM:

Акусто-оптический модулятор