Nanoscopia de esgotamento do estado do solo de centros de vacância de nitrogênio em nanodiamantes

Resumo

O centro de vacância de nitrogênio carregado negativamente (\ ({\ text {NV}} ^ {-} \)) em nanodiamantes (NDs) foi recentemente estudado para aplicações em imagens celulares devido à sua melhor fotoestabilidade e biocompatibilidade em comparação com outros fluoróforos. Imagem de super-resolução alcançando resolução de 20 nm de \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) em NDs foi provada ao longo dos anos usando abordagens de imagem limitada de sub-difração, como microscopia de localização estocástica de molécula única e emissão estimulada microscopia de depleção. Aqui, mostramos a primeira demonstração da nanoscopia de depleção do estado fundamental (GSD) desses centros em NDs usando três feixes, um feixe de sonda, um feixe de depleção e um feixe de redefinição. O feixe de depleção em 638 nm força os centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) para o estado escuro metaestável em todos os lugares, mas no mínimo local, enquanto um feixe gaussiano em 594 nm testa o \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) centros e um feixe de reset de 488 nm é usado para repovoar o estado excitado. Imagem de super-resolução de um único centro \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) com uma largura total na metade no máximo de 36 nm é demonstrada, e dois adjacentes \ ({\ text {NV}} ^ { -} \) centros separados por 72 nm são resolvidos. A microscopia GSD é aqui aplicada a \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) em NDs com uma potência óptica muito menor em comparação com o diamante em massa. Este trabalho demonstra a necessidade de controlar a concentração de nitrogênio de NDs para adequar sua aplicação em métodos de imagem de super-resolução e abre caminho para estudos de \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) em interações em nanoescala de NDs.

Introdução

A vacância de nitrogênio (\ ({\ text {NV}} ^ {-} \)) centro em diamante, consistindo de nitrogênio substitucional com uma vacância vizinha, tem atraído um amplo interesse em vários campos científicos e tecnológicos, entre os mais notáveis ​​como uma memória quântica em futuros computadores quânticos [1], um magnetômetro muito sensível [2] com aplicações em imagens biomédicas de células vivas [3] e da atividade de neurônios [4], e como uma sonda de escala atômica em vários métodos de imagem de super-resolução como microscopia de depleção de emissão estimulada (STED) e sua variante de spin, uma variante da microscopia de depleção do estado fundamental (GSD) [5,6,7] e microscopia de localização estocástica de molécula única (SMLM) com localização de spin nanométrica [8]. Em particular, os métodos que superam o limite de difração em microscopia de fluorescência representam uma mudança de paradigma na ciência biomédica de hoje [9] e \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) no diamante tem desempenhado um papel relevante nesta área como um novel nanossonda. Devido à inércia do diamante, alta biocompatibilidade, robustez e foto-estabilidade da \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) foto-luminescência com alto rendimento quântico, tem sido amplamente explorada para aplicações em ciências biomédicas e bio-fotônica [10, 11] e na microscopia cerebral [12] também em sua forma nanoestrutura conhecida como nanodiamantes (NDs) [13, 14]. NDs retêm propriedades de fluorescência NV semelhantes do diamante a granel hospedeiro com as vantagens de ser mais compatível para aplicações de imagem de super-resolução em ciências da vida [15]. No entanto, devido à falta de homogeneidade nas formas e dopagem de nitrogênio do material dos NDs fluorescentes atualmente produzidos em massa, induzindo propriedades variáveis ​​do NV em comparação com o diamante a granel e muitas vezes hospedando outras impurezas, a imagem de super-resolução usando NDs é geralmente mais desafiadora em comparação com o diamante a granel .

As limitações para aplicar métodos de super-resolução a NDs em comparação com o diamante a granel de melhor pureza estão associadas à variabilidade das propriedades fotofísicas do \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) devido à não homogeneidade do nitrogênio de NDs concentração, armadilhas de carga e outras concentrações de impurezas.

Imagens em nanoescala de centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) em NDs foram demonstradas com microscopia STED com uma potência de feixe de depleção de> 650 mW para atingir resolução de 20 nm [16, 17] (o máximo resolução em massa foi alcançada com apenas 3,7 GW / cm ² [5]); no entanto, uma modalidade de imagem que atinge resolução em nanoescala com intensidades ópticas na ordem de μW é necessária, por exemplo, imagem celular em nanoescala in vivo para reduzir a fototoxicidade. NDs têm a vantagem de permitir a marcação celular, o que não é possível com a plataforma bulk e tem sido usado para imagens de super-resolução de campo magnético usando SMLM [18], que é menos fototóxico do que microscopia STED ou GSD. Imagens anteriores de super-resolução de \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) em diamante a granel usando GSD foram obtidas esgotando seu estado fundamental usando um feixe de alta intensidade de 532 nm excitando os centros até o estado luminescente; portanto, o esgotamento do estado fundamental ocorre por meio do estado excitado [7]. No entanto, esta abordagem também exigia intensidades ópticas muito altas para atingir super-resolução (vários GW / cm ² para obter uma resolução <10 nm) e um algoritmo de reconstrução de imagem para obter uma imagem positiva [19]. A super-resolução de baixa potência foi alcançada usando laser pulsado de picossegundos induzindo a conversão de carga de \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) em seu estado de carga neutro (\ ({\ text {NV}} ^ {0 } \) com uma linha de fônon zero em 575 nm) em diamante a granel, conhecido como nanoscopia de depleção de conversão de estado de carga (CSD) [20, 21]; no entanto, a potência média do feixe de depleção foi de 1 mW para atingir a resolução de 12 nm e o mecanismo parece ser dependente do material, que é a concentração de nitrogênio ultrabaixa (inferior a 5 ppb [21]), geralmente alcançada na deposição de vapor químico de grau eletrônico diamante a granel.

Uma abordagem alternativa para a nanoscopia GSD de centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) no diamante a granel usou o estado escuro metaestável para esgotar o estado fundamental usando energia muito mais baixa por meio de um estado metaestável de vida longa, como originalmente proposto na Ref. [22] e demonstrado pela primeira vez na Ref. [23] em células de mamíferos usando o corante orgânico Atto532.

O princípio do GSD é a desativação da fluorescência de um marcador fluorescente por meio de uma abordagem de dois feixes. O primeiro feixe é a excitação ou feixe de sonda, que excita o fluoróforo ao estado excitado, e o segundo feixe é o feixe de inibição, que desliga a fluorescência. A desativação da fluorescência é alcançada ao colocar transitoriamente a população de um fluoróforo em um estado metaestável ou tripleto de vida longa. As transições ópticas entre os estados metaestáveis ​​singleto e os estados triplos requerem um spin flip e são, portanto, opticamente suprimidas [23].

Na Ref. [24], o GSD foi habilitado bombeando continuamente o centro de 25 a 200 μW de potência óptica de um laser vermelho CW (638 nm) que traz o \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) para um não estado fluorescente ao povoar seu estado metaestável de vida longa, esgotando assim seu estado fundamental, enquanto um laser azul (476 nm) foi usado para esvaziar o estado metaestável escuro induzindo transições para estados de energia mais alta. Aqui, o laser de 638 nm é usado também para excitar o centro, mesmo que não de forma eficiente, e então arquivá-lo em seu estado metaestável. \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) mostrou uma luminescência apenas quando excitado com os lasers azuis e vermelhos. Uma resolução de 16 nm foi alcançada com 5 mW de potência do laser de depleção, que é muito menor do que o usado no STED ou GSD anterior. Uma possível limitação desse método poderia ser a dependência das propriedades do estado metaestável de diferentes tipos de diamante com menor ou mais teor de nitrogênio, ou ainda mais em NDs, limitando sua aplicabilidade. Na Ref. [24], o diamante a granel era um diamante de grau óptico do tipo IIa, que corresponde a uma concentração de nitrogênio de 500 ppm, muito maior do que o trabalho mais recente sobre CSD [21], que depende de baixa concentração de nitrogênio (<5 ppb) . A declaração relatada na Ref. [21] que o estado escuro da Ref. [24] é o estado de carga neutro do \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) sofre por não considerar que em alta concentração de nitrogênio o NV ^{- / 0} a conversão de carga é suprimida [25] e NV está predominantemente em seu estado de carga negativa; além disso, a vida útil medida do estado escuro é muito longa e não pode ser atribuída a um processo de conversão de carga. Na verdade, o CSD ainda não foi comprovado em NDs fluorescentes comerciais (derivados de alta pressão e alta temperatura, HPHT, diamante) devido à sua alta concentração de nitrogênio, instabilidade de carga devido a outros defeitos e propriedades variáveis ​​fotofísicas devido à falta de controle de materiais.

O mecanismo para estabelecer a nanoscopia GSD também ainda não foi relatado com centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) em NDs devido à hipótese de que CSD não poderia ocorrer em NDs.

Neste artigo, mostramos que GSD pode ser realizado em NDs, comprovando a dependência dos métodos GSD e CSD na concentração de nitrogênio do diamante e alertando a necessidade de engenharia de materiais de NDs para métodos específicos de super-resolução e detecção de spin.

Neste artigo, demonstramos a nanoscopia GSD de centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) em NDs usando um mecanismo de comutação fluorescente liga / desliga semelhante alcançado ao separar os elétrons no estado metaestável de vida longa usando um abordagem de três feixes e usando 300 μW para esgotar completamente o estado excitado e atingir a resolução máxima. Aqui, mostramos que as propriedades do \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) em NDs não limitam a aplicabilidade deste método, como se pensava anteriormente [24]. Além disso, fomos capazes de distinguir dois centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) dentro dos mesmos NDs como mostrado anteriormente usando SMLM [26] e microscopia STED [17].

Para comprovar que o mecanismo de esgotamento do estado fundamental em nosso trabalho é devido a um estado metaestável de vida escura em vez de CSD, resumiremos os principais resultados recentes em relação ao NV ^{- / 0} conversão de estado de carga. A este respeito, a ionização induzida por foto, recombinação do NV ^{- / 0} estados de carga foram exaustivamente estudados e encontrados para serem dependentes do comprimento de onda de excitação [27, 28], com alternância de estado de carga para excitação de laser vermelho (ou azul), com excitação vermelha usada para alternar o NV ^- em seu estado de carga neutra. Esta mudança rápida que ocorre em baixa potência do laser foi usada para implementar nanoscopia de depleção de estado de carga [21] e nanoscopia de reconstrução óptica estocástica [8] apenas em diamante a granel cultivado por deposição de vapor químico, onde a concentração de nitrogênio é bem controlada e geralmente muito baixa devido ao crescimento de baixa temperatura. Esta dinâmica de comutação devido ao comprimento de onda de excitação com base na conversão de estado de carga do NV não foi observada em NDs [18, 26, 29], onde o piscar era devido a armadilhas de carga produzidas por danos mecânicos durante o processo de fabricação (geralmente quebrando HPHT alto nitrogênio concentração de microdiamantes) ou outros efeitos associados à oxidação [26, 29,30,31] ou proximidade com outras impurezas aceitadoras [18, 32] e, como tal, não relacionado a NV ^{- / 0} conversão de carga. Também foi demonstrado que NV ^- a conversão de carga também depende fortemente da concentração de impurezas doadoras de elétrons na rede de diamante, ou seja, a conversão de estado negativo para estado de carga neutra é suprimida para alta concentração de concentração de impurezas doadoras (nitrogênio) [25]. De fato, foi proposto o uso de doadores e aceitadores em diamante para estabilizar o estado de carga NV [33]. A maioria desses estudos foi realizada em diamante a granel e apenas um trabalho recente [34] mostrou que o crescimento de NDs em baixa temperatura permite uma menor incorporação de nitrogênio e, como tal, os NDs se comportam como diamante a granel puro com forte mudança de estado de carga para vermelho ( ou azul) excitação de laser, enquanto o crescimento em alta temperatura incorporando mais impurezas de nitrogênio suprime significativamente essa conversão de carga.

Em nossos NDs, não observamos NV ^{- / 0} conversão de carga devido à excitação do comprimento de onda do laser, e atribuímos o estado escuro de fato ao estado metaestável como feito anteriormente [24], também em vista do grande tamanho dos NDs aqui usados ​​(~ 100 nm), sem piscar devido à superfície estados de carga, além de sua alta concentração de nitrogênio. Os NDs aqui estudados são comercialmente derivados de microdiamantes HPHT com concentração de nitrogênio de pelo menos 500 ppm não homogênea. O estado metaestável na referência. [24] também é comprovado por sua vida útil muito longa de 150 s.

Os centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) são geralmente melhor excitados usando 532 ou 561 nm, pois possuem uma linha de fônon zero em 637 nm [35], correspondendo à transição entre um estado fundamental de tripleto e excitado estado, predominantemente uma transição conservadora de spin. Além disso, existe um estado metaestável singlete [36] sobre o qual o centro transita via decaimento não radiativo. O tempo de vida da transição óptica de \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) em NDs é de cerca de 22 ns [37], mais longo em comparação com aquele no diamante a granel de 12 ns [35].

Um feixe de excitação (sonda) em 594 nm promove a transição do estado fundamental para o estado excitado, enquanto um feixe de depleção em 638 nm armazena transitoriamente o elétron dos centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) do estado excitado para o estado metaestável via cruzamento intersistema não radiativo (Fig. 1a). O uso de 594 nm como sonda é justificado por sua alteração mínima da população no estado escuro se comparado ao verde (geralmente 532 ou 561 nm) [24]. Este método efetivamente satura o cruzamento intersistema e esvazia o estado fundamental, evitando a excitação para o estado excitado dos centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) e subsequente emissão de fluorescência, quando sondado com 594 nm. Finalmente, um laser azul em 488 nm repopula o estado excitado, inibindo o decaimento rápido (ns) subsequente para o estado fundamental [38].

a Princípio do GSD em \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) em NDs usando um feixe de prova em 594 nm (amarelo), um feixe de depleção em 638 nm (vermelho) e um feixe de reset em 488 nm ( azul). Estado fundamental GS, estado excitado ES e estado metaestável MS do centro NV. Ilustração de um centro NV em um nanodiamante. b Representação esquemática da configuração experimental. O sistema consiste em um microscópio confocal feito em casa com três lasers operando nos comprimentos de onda de 488 nm, 594 nm e 638 nm. Uma placa de fase de vórtice projeta espacialmente o feixe de depleção de 638 nm em um feixe de rosca para garantir a depleção apenas em torno da área limitada de difração. c Caracterização de moduladores óticos acústicos por meio da medição dos tempos de chegada dos pulsos de cada laser. d Esquemático da sequência de pulso usada na nanoscopia GSD. A janela de detecção é sincronizada com o feixe de sonda em 594 nm para coletar apenas fluorescência relevante. O comprimento do pulso do feixe de prova de 594 nm foi otimizado para 20 μs, pois um comprimento de pulso mais curto resultaria em tempos de média mais longos e comprimentos de pulso mais longos levariam a imagens de super-resolução menos eficientes. O feixe de reinicialização de 488 nm foi otimizado em 20 μs, pois é preferível tê-lo o mais curto possível para reduzir o tempo de sequência de pulso geral, mas ainda assim esvaziar o estado metaestável de longa duração efetivamente

Similarmente ao STED, o feixe de depleção é espacialmente projetado em um feixe de rosca no plano transversal, a fim de obter imagens de super-resolução [24]. A resolução d da nanoscopia GSD obedece à Eq. [23]:
$$ d \ approx \ frac {\ lambda} {{[2 \ left ({NA} \ right) \ sqrt {1 + I _ {{\ text {D}}} ^ {\ max} / I _ {{\ text {s}}}]}}} $$ (1)
com NA denotando a abertura numérica da lente objetiva, \ (I _ {{\ text {s}}} \) a intensidade de saturação na qual metade da fluorescência é esgotada e \ (I _ {{\ text {D}}} ^ {\ max} \) o valor de intensidade máxima do pico na fronteira com o zero.

Medimos uma resolução de imagem de 36 nm para um único centro \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) em ND, dependendo da intensidade do feixe de depleção. Além disso, dois centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) separados por 72 nm foram resolvidos. Nosso trabalho é promissor para nanoscopia fluorescente em células vivas com NDs contendo centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) como biomarcadores.

Métodos Experimentais

Para este experimento, uma suspensão de NDs de alta pressão e alta temperatura (HPHT) nominalmente 100 nm em tamanho [39, 40], limpos com ácido e diluídos em solução MilliQ, foi usada. Um volume de 20 µl de solução de NDs (1:200 diluído em água MilliQ) foi moldado em uma lamela de borosilicato limpa com plasma de oxigênio e seco ao ar [37]. A configuração experimental para a nanoscopia GSD consistiu em um microscópio confocal construído em casa com dois lasers de diodo de onda contínua em comprimentos de onda de 488 nm e 638 nm e um laser de hélio-néon de onda contínua (HeNe) em um comprimento de onda de 594 nm. Em cada um dos caminhos do feixe, um modulador acústico-óptico (AOM) foi instalado para criar pulsos ópticos a partir dos feixes de luz contínuos e sincronizá-los entre si. Após a propagação através dos AOMs, um filtro espacial limpou os perfis do feixe espacial. Uma lente secundária colimava cada feixe para propagação posterior. Primeiro, os feixes de laser nos comprimentos de onda de 488 nm e 638 nm foram sobrepostos espacialmente usando um laser dicróico plano de passagem longa de 532 nm (Semrock-LPD01 532R). Um dicróico secundário (Semrock-R405 / 488/543/638) se sobrepôs espacialmente a todos os três feixes refletindo os comprimentos de onda de 488 nm e 638 nm e transmitindo o comprimento de onda de 594 nm. O perfil do feixe espacial do feixe de depleção no comprimento de onda de 638 nm foi projetado em um feixe de rosca usando uma placa de fase. Além disso, uma placa de quarto de onda foi colocada antes da objetiva para garantir a polarização circular do feixe de depleção. Uma objetiva de imersão em óleo de alta abertura numérica (NA =1,4) foi usada para a imagem dos NDs. Um dicróico (Semrock-LP02-671RU-25) separou a fluorescência dos centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) dos comprimentos de onda de excitação e o redirecionou para um diodo Avalanche de fóton único (SPCM-AQRH -14FC) por meio de uma fibra monomodo atuando como um orifício. A representação esquemática da configuração óptica é mostrada na Fig. 1b.

Nanopartículas de ouro com tamanho médio de 40 nm foram moldadas em uma lamela de vidro e fotografadas para investigar o perfil espacial do feixe de depleção. Uma função de propagação de ponto em forma de donut com um anel de alta intensidade e um mínimo local em seu centro é observada (detalhe da Fig. 1b).

Primeiro investigamos a resposta temporal de cada pulso de laser. Os AOMs são controlados através do LabVIEW usando um gerador de pulso multicanal (PulseBlasterESR-PRO) que controla as propriedades temporais individuais de cada feixe de laser, bem como o tempo entre os três feixes. Devido aos diferentes comprimentos de caminho óptico para cada um dos lasers, os pulsos ópticos que são gerados ao mesmo tempo têm um tempo de chegada ligeiramente deslocado no detector. Isso nos permite ter controle temporal sobre todos os três feixes de laser na escala de tempo de sub-microssegundos.

Um tempo de subida e descida de 60 ns foi medido para os feixes de excitação (Fig. 1c). Os pulsos ópticos nos comprimentos de onda de 594 nm e 638 nm chegaram com uma separação de 85 ns e 155 ns em relação ao pulso no comprimento de onda de 488 nm. Cada um dos pulsos de laser gera fluorescência que se origina de várias fontes diferentes, incluindo o centro \ ({\ text {NV}} ^ {-} \), outras impurezas no ND e defeitos dentro da lamela de vidro. Apenas a fluorescência gerada pelo feixe de excitação é relevante para a imagem GSD. A fluorescência de outros pulsos de laser contribui para o ruído da imagem de fluorescência. Por essa razão, o controle de tempo é introduzido para eliminar a fluorescência gerada por pulsos de laser diferentes do feixe de sonda. Isso é obtido por meio do bloqueio da detecção com o tempo de chegada do pulso do feixe de sonda, filtrando efetivamente as outras fontes fluorescentes e aumentando a relação sinal-ruído da imagem.

Uma sequência de pulso típica para nanoscopia GSD e a janela de detecção é fornecida na Fig. 1d. Desligar a fluorescência dos centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) foi conseguida ao colocar os elétrons no estado de vida longa com um pulso de depleção no comprimento de onda de 638 nm. A excitação dos centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) na região de sub-difração foi fornecida por um pulso no comprimento de onda de 594 nm, enquanto um pulso no comprimento de onda de 488 nm redefiniu o \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) centra-se de volta ao estado de excitação. Uma sequência de pulso foi repetida 500-1000 vezes para garantir uma alta relação sinal-ruído. Os comprimentos de pulso estavam na faixa de 10–20 μs para o feixe de prova (594 nm) e o feixe de reinicialização (488 nm). O comprimento de pulso ideal do feixe de depleção foi encontrado em ~ 300 μs (Fig. 2d). A otimização da duração dos pulsos do feixe é baseada na Ref. [24]; entretanto, uma otimização mais sistemática deve ser realizada para melhorar a resolução final. Espera-se que a resolução dependa da duração do pulso do feixe de inibição, que é limitada pelo tempo de vida do estado metaestável.

a A fluorescência de um único centro \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) com base na excitação de 488 nm e 638 nm. A fluorescência detectada aumenta quando ambos os lasers excitam simultaneamente o centro \ ({\ text {NV}} ^ {-} \). b Dependência da fluorescência no poder de depleção. Uma ilustração da sequência de pulso é mostrada na inserção. A fluorescência é detectada apenas quando o laser da sonda em 594 nm está ligado. c Curva de antibunching do centro \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) mostrando uma função de correlação de segunda ordem <0,5 um tempo de atraso zero

Resultados e discussão

O mecanismo de liga / desliga foi investigado excitando um centro \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) sob as fontes de laser nos comprimentos de onda de 638 nm e 488 nm (Fig. 2a). Um aumento na emissão de fluorescência de \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) centros foi detectado apenas quando os dois feixes estavam espacialmente sobrepostos. Este comportamento de emissão foi compreendido, assumindo que o feixe em comprimento de onda de 638 nm preferencialmente arquivou elétrons no estado de vida longa, enquanto o feixe em 488 nm permitiu a emissão espontânea (Fig. 1a). Assumimos uma vida útil para o estado de longa duração de \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) centros mais curtos (a única medida para NDs é 33-127 ns da ref. [38], enquanto o estado singlet a transição é de 300 ns [41]) do que o tempo de vida do estado metaestável no diamante bruto (medido 150 s) [24] e muito mais do que o tempo de vida do estado excitado [37].

Um único centro \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) foi selecionado usando medição anti-agrupamento (Fig. 2c) para estudar a potência necessária para o feixe de depleção para extinguir eficazmente a fluorescência na forma de donut [42] . Um feixe com comprimento de onda de 594 nm foi adicionado para sondar se o único centro \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) estava em seu estado ligado ou desligado. A Figura 2b mostra a dependência da fluorescência do centro \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) selecionado com a intensidade do feixe de depleção. Um rápido declínio na fluorescência foi observado. Na potência de depleção de 151,2 μW, o centro \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) foi efetivamente desligado.

Aqui, pela primeira vez ao nosso conhecimento, demonstramos a nanoscopia GSD aplicada a NDs para imagens de super-resolução de centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) únicos.

Para alcançar super-resolução através do GSD, todos os emissores cobertos por um feixe de excitação focado são temporariamente desligados, exceto em uma região de tamanho de sub-difração, devido à sobreposição do feixe de depleção em forma de donut transferindo o centro para seu longo viveu em estado escuro. A resolução obtida pode ser quantificada pelo perfil no plano focal onde os centros estão "ligados" e é dimensionada de acordo com a Eq. (1), onde \ (I_ {s} \) escala inversamente com o tempo de vida dos estados envolvidos e com a seção transversal de inibição da transição de desligamento óptico [43, 44].

A Figura 3a mostra uma imagem de fluorescência super-resolvida de um único centro \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) em um ND (Fig. 2c). A largura total na metade do máximo (FWHM) é de 57 nm na direção xe 42 nm na direção y (Fig. 3c).

a Imagem de fluorescência de um centro super-resolvido \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) baseado em nanoscopia GSD. Tempo de espera de 10 ms e tamanho de pixel de 2 nm. b Resolução transversal em função do poder de esgotamento. A discrepância entre experimento e teoria é provavelmente devido a imperfeições no material hospedeiro e mudanças no ambiente local de NDs em comparação com o diamante a granel. A teoria é baseada em centros NV em diamante a granel. c Perfil de seções transversais de imagem ao longo do eixo xey eixo y com uma resolução FWHM de 57 nm e 42 nm, respectivamente. A linha sólida representa o melhor ajuste

A relação entre o poder de esgotamento e a resolução é mostrada na Fig. 3b. A curva teórica é baseada na Eq. (1). A potência adicional necessária para suprimir a fluorescência central \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) para os dados experimentais foi atribuída ao ambiente local no hospedeiro ND e um tempo de vida mais curto do estado metaestável [38] em comparação com o bulk . Observa-se que a resolução máxima de 42 nm é alcançada em 2,2 mW, enquanto na Ref. [24] A resolução de 12 nm foi alcançada com 16 mW, correspondendo a uma intensidade de pico de 12 MW / cm ² para o feixe de depleção.

Além disso, aplicamos a nanoscopia GSD para demonstrar a imagem em nanoescala de dois centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) espaçados. A Figura 4a mostra uma imagem confocal de centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \). Sob a nanoscopia GSD, dois centros únicos \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) são fotografados com resolução em nanoescala (Fig. 4b). A distância centro a centro entre os dois centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) é de 72 nm (Fig. 4c). O FWHM para os dois centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) resolvidos no y -direcção é 36 nm (Fig. 4d) e 38 nm, respectivamente (Fig. 4e). Atribuímos o desalinhamento entre o eixo principal do ND e os centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) resolvidos a um desvio mecânico durante a varredura da imagem confocal.

a Mapa de fluorescência confocal de 500 × 500 nm (tempo de permanência de 2 ms e tamanho de pixel de 1 nm) e b imagem super-resolvida 300 × 300 nm do quadrado branco em (tempo de permanência 24 ms e tamanho de pixel de 1 nm) b de dois centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \). O ponto confocal individual é superdeterminado em dois pontos separados de fluorescência fraca. c Seção transversal ao longo do eixo X mostrando a separação de 72 nm entre os dois picos correspondentes às localizações da distância centro a centro dos dois centros NV. d Seções transversais ao longo do eixo Y com uma resolução FWHM medida de 36 nm e 38 nm, correspondendo a \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) 1 e \ ({\ text {NV}} ^ {- } \) 2 em b , respectivamente

Conclusões

Neste trabalho, implementamos a nanoscopia GSD usando o estado metaestável do centro \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) em nanodiamantes, mostrando imagens super-resolvidas de \ ({\ text {NV}} ^ { -} \) centros. Um único centro \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) com um FWHM de 36 nm é resolvido. A escala da resolução em relação à intensidade do feixe de depleção também é mostrada, e a super-resolução máxima é alcançada com 2,2 mW de potência de depleção. Além disso, dois centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) separados por 72 nm foram resolvidos. Este resultado abre a possibilidade de investigar o acoplamento dipolar entre centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) espaçados [45], a capacidade de detecção quântica de alta resolução espacial com base no \ ({\ text { NV}} ^ {-} \) propriedades de spin [6, 18, 46,47,48], bem como outras aplicações de detecção multifuncional baseadas em diamante em massa [49] estendidas para NDs [50].

Neste artigo, também mostramos que a concentração de nitrogênio no diamante está na base dos mecanismos GSD e CSD para super-resolução, que são obtidos em diamantes dopados com nitrogênio alto e baixo, respectivamente. Como tal, devem seguir-se os NDs projetados para o método específico. Entende-se que o CSD pode ser mais facilmente aplicado ao sensor de rotação devido à baixa concentração de nitrogênio; no entanto, o NV ⁰ estado de carga limitaria as propriedades de detecção quântica de CSD, enquanto estabilizaria o estado de carga de \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) usando outros doadores que o nitrogênio poderia trazer uma sensibilidade muito maior do GSD aplicado ao spin quântico de detecção.

A nanoscopia GSD de centros \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) em NDs usa baixa potência (~ 300 μW) para as intensidades ópticas em comparação com o diamante a granel, e é mais adequado para amostras biológicas. A resolução GSD pode ser melhorada determinando o dopagem de nitrogênio ideal [34], estudando o efeito da passivação da superfície e outras impurezas sobre o \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) no estado metaestável de NDs e por NDs de engenharia com menos impurezas foto-luminescentes.

Em relação ao sensor de spin, a alta concentração de nitrogênio em NDs atualmente comerciais derivados de HPHT e microdiamantes com alto teor de nitrogênio está limitando a sensibilidade de spin de acordo com o contraste de ressonância magnética opticamente detectado reduzido [34]. Como tal, outros dopantes devem ser considerados para estabilizar o estado de carga \ ({\ text {NV}} ^ {-} \) sem introduzir decoerência [50, 51].

Finalmente, combinando este método com a excitação por microondas [18, 52,53,54], ele poderia fornecer uma abordagem alternativa para imagens magnéticas ópticas super-resolvidas em ciências da vida se as propriedades do material de NDs atuais pudessem ser melhor projetadas para esta aplicação.

Disponibilidade de dados e materiais

Os conjuntos de dados usados ​​e / ou analisados ​​durante o estudo atual estão disponíveis junto ao autor correspondente, mediante solicitação razoável.

Abreviações

NDs:

Nanodiamonds

NV:

Vacância de nitrogênio

STED:

Esgotamento de emissão estimulada

GSD:

Esgotamento do estado fundamental

CSD:

Esgotamento do estado de carga

FWHM:

Largura total pela metade no máximo

HPHT:

Alta pressão e alta temperatura

AOM:

Modulador acústico-óptico

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