Citraan Ground-State Depletion Tinggi Resolusi Pusat Nitrogen-Vacancy pada Nanobalintam
Abstrak
Pusat nitrogen-vacancy bermuatan negatif (NV−) pada nanobalintam (ND) baru-baru ini dipelajari untuk aplikasi dalam citra seluler karena foto-stabilitas dan kompatibilitas biologis yang lebih baik dibandingkan dengan fluorofor lainnya. Citra super-resolusi yang mencapai resolusi 20 nm dari NV− dalam ND telah terbukti selama bertahun-tahun menggunakan pendekatan citra yang terbatas di bawah difraksi seperti mikroskopi lokulasi stokastik satu molekula dan mikroskopi depleksi emisi terangsang. Di sini kami menunjukkan demonstrasi pertama nanoskopi depleksi keadaan dasar (GSD) dari pusat ini dalam ND menggunakan tiga berkas, sebuah berkas probe, sebuah berkas depleksi dan sebuah berkas reset. Berkas depleksi pada 638 nm memaksa pusat NV− ke status gelap metastebel di mana saja kecuali di minimum lokal, sementara berkas Gaussian pada 594 nm memprobe pusat NV− dan berkas reset 488 nm digunakan untuk mengisi ulang status terangsang. Citra super-resolusi dari satu pusat NV− dengan lebar setengah maksimum 36 nm divisualisasikan, dan dua pusat NV− berdekatan yang dipisahkan oleh 72 nm dapat terpecahkan. Nanoskopi GSD diterapkan pada NV− dalam ND dengan daya optik yang jauh lebih rendah dibandingkan balintam massa. Karya ini menunjukkan kebutuhan untuk mengontrol konsentrasi nitrogen ND untuk menyesuaikan aplikasi mereka dalam metode citra super-resolusi dan membuka jalan untuk studi interaksi skala nano NV− dalam ND.
Pendahuluan
Pusat nitrogen-vacancy (NV−) dalam balintam, yang terdiri dari nitrogen substitusi dengan kosongan tetangga, telah menarik minat luas dalam beberapa bidang ilmiah dan teknologis, di antaranya yang paling menonjol sebagai memori kuantum dalam komputer kuantum masa depan [1], magnetometer yang sangat sensitif [2] dengan aplikasi dalam citra biomedis sel hidup [3] dan aktivitas neuron [4], dan sebagai sonde skala atom dalam berbagai metode citra super-resolusi seperti mikroskopi depleksi emisi terangsang (STED) dan varian spinnya, varian mikroskopi depleksi keadaan dasar (GSD) [5,6,7] dan mikroskopi lokulasi stokastik satu molekula (SMLM) dengan lokulasi spin nanometrik [8]. Khususnya, metode yang mengalahkan batas difraksi dalam mikroskopi floresensi mewakili perubahan paradigma dalam ilmu biomedis saat ini [9] dan NV− dalam balintam telah memainkan peran yang relevan di area ini sebagai nanoprobe baru. Karena inertnya balintam, kompatibilitas biologis yang tinggi, keawetan dan foto-stabilitas foto-luminesensi NV− dengan hasil kuantum tinggi, telah banyak dieksplorasi untuk aplikasi dalam ilmu biomedis dan biofotonika [10, 11] dan dalam mikroskopi otak [12] juga dalam bentuk nanostruktur yang dikenal sebagai nanobalintam (ND) [13, 14]. ND mempertahankan properti fluoresensi NV yang serupa dengan balintam massa tuan rumah dengan keuntungan bahwa lebih kompatibel untuk aplikasi citra super-resolusi ilmu kehidupan [15]. Namun, karena tidak homogen dalam bentuk dan dotasi nitrogen materi dari ND floresen yang diproduksi massal saat ini, yang menginduksi variasi properti NV dibandingkan balintam massa dan seringkali menimbulkan pengotor lain, citra super-resolusi menggunakan ND umumnya lebih tantangan dibandingkan balintam massa.
Keterbatasan untuk menerapkan metode super-resolusi pada ND dibandingkan balintam massa yang lebih murni terkait dengan variabilitas properti foto-fisik dari NV− karena tidak homogen konsentrasi nitrogen ND, tangkap muatan, dan konsentrasi pengotor lainnya.
Citra skala nano dari pusat NV− dalam ND telah divisualisasikan dengan mikroskopi STED dengan daya berkas depleksi > 650 mW untuk mencapai resolusi 20 nm [16, 17] (resolusi maksimum dalam balintam massa dicapai dengan beberapa 3,7 GW/cm2 [5]); namun, modalitas citra yang mencapai resolusi skala nano dengan intensitas optik dalam urutan μW diperlukan untuk contohnya citra selular in vivo skala nano untuk mengurangi fototoksisitas. ND memiliki keuntungan untuk memungkinkan pelabelan seluler, yang tidak mungkin dengan platform massa dan telah digunakan untuk citra super-resolusi medan magnet menggunakan SMLM [18], yang kurang fototoksik dibandingkan STED atau mikroskopi GSD. Citra super-resolusi sebelumnya dari NV− dalam balintam massa menggunakan GSD dicapai dengan menguras keadaan dasar menggunakan berkas intensitas tinggi 532 nm yang menangsangkan pusat ke status luminesensi; oleh karena itu, depleksi keadaan dasar terjadi melalui status terangsang [7]. Namun, pendekatan ini juga memerlukan intensitas optik yang sangat tinggi untuk mencapai super-resolusi (beberapa GW/cm2 untuk mencapai resolusi < 10 nm) dan algoritma rekonstruksi citra untuk mencapai citra positif [19]. Super-resolusi daya rendah telah dicapai menggunakan laser berdenyut pikodetik yang menginduksi konversi muatan NV− menjadi status muatan netralnya (NV0 dengan garis fonon nol pada 575 nm) dalam balintam massa, dikenal sebagai nanoskopi depleksi konversi muatan (CSD) [20, 21]; namun, daya rata-rata berkas depleksi adalah 1 mW untuk mencapai resolusi 12 nm dan mekanisme tampaknya tergantung pada materi, yaitu konsentrasi nitrogen ultra rendah (lebih rendah dari 5 ppb [21]), yang umumnya dicapai dalam balintam massa depositasi uap kimia kelas elektronik.
Pendekatan alternatif untuk nanoskopi GSD dari pusat NV− dalam balintam massa menggunakan status gelap metastebel untuk menguras keadaan dasar dengan daya yang jauh lebih rendah melalui status metastebel yang berumur panjang, seperti yang awalnya diusulkan dalam Ref. [22] dan pertama kali divisualisasikan dalam Ref. [23] dalam sel mamalia menggunakan pena organik Atto532.
Prinsip GSD adalah deaktivasi fluoresensi dari penanda floresen melalui pendekatan dua berkas. Berkas pertama adalah berkas eksitasi atau probe, yang menangsangkan fluorofor ke status terangsang, dan berkas kedua adalah berkas inhibisi, yang mematikan fluoresensi. Deaktivasi fluoresensi dicapai dengan sementara menempatkan populasi fluorofor ke status metastebel atau status triplet yang berumur panjang. Transisi optik antara status metastebel singlet dan status triplet membutuhkan flip spin dan oleh karena itu secara optik ditekan [23].
Dalam Ref. [24], GSD diaktifkan dengan terus-menerus memompa pusat dari 25 hingga 200 μW daya optik dari laser merah CW (638 nm) yang membawa NV− ke status non-floresen dengan mengisi status metastebel yang berumur panjangnya, sehingga menguras keadaan dasarnya, sementara laser biru (476 nm) digunakan untuk mengosongkan status gelap metastebel yang menginduksi transisi ke status energi yang lebih tinggi. Di sini laser 638 nm digunakan juga untuk menangsangkan pusat meskipun tidak efisien dan kemudian menempatkannya dalam status metastebelnya. NV− hanya menunjukkan luminesensi ketika ditangsangkan dengan laser biru dan merah. Resolusi 16 nm dicapai dengan 5 mW daya laser depleksi, yang jauh lebih rendah dari yang digunakan dalam STED atau GSD sebelumnya. Satu keterbatasan yang mungkin dari metode ini adalah ketergantungan properti status metastebel dari berbagai jenis balintam dengan kandungan nitrogen lebih sedikit atau lebih banyak, atau bahkan dalam ND, yang membatasi penerapannya. Dalam Ref. [24], balintam massa adalah balintam kelas optik tipe IIa, yang sesuai dengan konsentrasi nitrogen 500 ppm, jauh lebih tinggi daripada karya CSD yang lebih baru [21], yang bergantung pada konsentrasi nitrogen rendah (< 5 ppb). Pernyataan yang dilaporkan dalam Ref. [21] bahwa status gelap dari Ref. [24] adalah status muatan netral dari NV− menderita karena tidak mempertimbangkan bahwa dalam konsentrasi nitrogen tinggi, konversi muatan NV−/0 ditekan [25] dan NV terutama dalam status muatan negatifnya; lebih lanjut, umur yang diukur dari status gelap sangat panjang dan tidak dapat diatribusikan pada proses konversi muatan. Sebenarnya, CSD belum terbukti dalam ND floresen komersial (yang berasal dari balintam tekanan tinggi dan suhu tinggi, HPHT) karena konsentrasi nitrogen yang tinggi, ketidakstabilan muatan karena defek lain dan properti foto-fisik yang bervariasi karena kurangnya kontrol materi.
Mekanisme untuk mendirikan nanoskopi GSD juga belum pernah dilaporkan dengan pusat NV− dalam ND karena hipotesis bahwa CSD tidak dapat terjadi dalam ND.
Dalam kertas ini, kami menunjukkan bahwa GSD dapat dilakukan dalam ND, membuktikan ketergantungan metode GSD dan CSD pada konsentrasi nitrogen balintam dan mendorong kebutuhan akan rekayasa materi ND untuk metode super-resolusi dan penginderaan spin tertentu.
Dalam kertas ini, kami menunjukkan nanoskopi GSD dari pusat NV− dalam ND menggunakan mekanisme switching floresen on/off yang serupa yang dicapai dengan menyimpan elektron dalam status metastebel yang berumur panjang menggunakan pendekatan tiga berkas dan menggunakan 300 μW untuk sepenuhnya menguras status terangsang dan mencapai resolusi maksimum. Di sini, kami menunjukkan bahwa properti NV− dalam ND tidak membatasi penerapan metode ini, seperti sebelumnya dipikir [24]. Lebih lanjut kami dapat membedakan dua pusat NV− dalam ND yang sama seperti yang ditunjukkan sebelumnya menggunakan SMLM [26] dan mikroskopi STED [17].
Untuk membenarkan bahwa mekanisme depleksi keadaan dasar dalam karya kami adalah karena status gelap metastebel alih-alih CSD, kami akan meringkas hasil terkini yang relevan terkait konversi status muatan NV−/0. Dalam hal ini untuk foto-induksi ionisasi, rekombinasi status muatan NV−/0 telah dipelajari secara menyeluruh dan ditemukan bergantung pada panjang gelombang eksitasi [27, 28], dengan switching status muatan untuk eksitasi laser merah (atau biru), dengan eksitasi merah digunakan untuk mengalihkan NV− ke status muatan netralnya. Switching cepat ini yang terjadi pada daya laser rendah telah digunakan untuk menerapkan nanoskopi depleksi status muatan [21] dan nanoskopi rekonstruksi optik stokastik [8] hanya dalam balintam massa yang ditumbuhi oleh depositasi uap kimia, di mana konsentrasi nitrogen terkontrol dengan baik dan umumnya sangat rendah karena pertumbuhan suhu rendah. Dinamika switching ini berdasarkan panjang gelombang eksitasi berdasarkan konversi status muatan NV tidak diamati dalam ND [18, 26, 29], di mana berkedip adalah karena tangkap muatan yang dihasilkan oleh kerusakan mekanis selama proses fabrikasi (biasanya menghancurkan mikrobintang HPHT konsentrasi nitrogen tinggi) atau efek lain yang terkait dengan oksidasi [26, 29,30,31] atau kedekatan dengan penampan asing lain [18, 32], dan oleh karena itu tidak terkait dengan konversi status muatan NV−/0. Telah juga divalidasi bahwa konversi muatan NV− juga sangat bergantung pada konsentrasi penampan donatur elektron dalam jaringan balintam, yaitu konversi status negatif ke status muatan netral ditekan untuk konsentrasi penampan donatur (Nitrogen) yang tinggi [25]. Telah diusulkan untuk menggunakan penampan donatur dan penerima dalam balintam untuk menstabilkan status muatan NV [33]. Sebagian besar studi ini dilakukan dalam balintam massa dan hanya pekerjaan terbaru [34] menunjukkan bahwa pertumbuhan ND pada suhu rendah memungkinkan integrasi nitrogen yang lebih rendah, dan oleh karena itu ND berperilaku seperti balintam murni dengan switching status muatan yang kuat untuk eksitasi laser merah (atau biru), sementara pertumbuhan suhu tinggi yang mengintegrasikan lebih banyak pengotor nitrogen menekan secara signifikan konversi muatan ini.
Dalam ND kami, kami tidak mengamati konversi muatan NV−/0 karena eksitasi panjang gelombang laser, dan kami mengatribusikan status gelap pada status metastebel seperti sebelumnya dilakukan [24], juga dalam pandangan ukuran besar ND yang digunakan di sini (~ 100 nm), tanpa berkedip karena status muatan permukaan, dan lebih penting lagi karena konsentrasi nitrogen yang tinggi. ND yang dipelajari di sini berasal secara komersial dari mikrobintang HPHT dengan konsentrasi nitrogen tidak homogen setidaknya 500 ppm. Status metastebel dalam Ref. [24] juga terbukti oleh umur yang sangat panjangnya 150 detik.
Pusat NV− umumnya paling baik ditangsangkan menggunakan 532 atau 561 nm karena mereka memiliki garis fonon nol pada 637 nm [35], yang sesuai dengan transisi antara status dasar triplet dan status terangsang, terutama transisi yang mengawetkan spin. Selain itu, ada status metastebel singlet [36] yang melaluinya pusat transit melalui peluruhan non-radiatif. Umur transisi optik NV− dalam ND sekitar 22 ns [37], lebih lama dibandingkan dengan yang dalam balintam massa 12 ns [35].
Berkas eksitasi (probe) pada 594 nm mempromosikan transisi dari status dasar ke status terangsang, sementara berkas depleksi pada 638 nm sementara menyimpan elektron dari pusat NV− dari status terangsang ke status metastebel melalui lintas sistem non-radiatif (Gambar 1a). Penggunaan 594 nm sebagai probe dijustifikasi oleh pengubahannya yang minimal pada populasi status gelap jika dibandingkan dengan hijau (biasanya 532 atau 561 nm) [24]. Metode ini secara efektif menyatur lintas sistem dan mengosongkan status dasar, mencegah eksitasi ke status terangsang dari pusat NV− dan emisi floresensi berikutnya, ketika di-probe dengan 594 nm. Akhirnya, laser biru pada 488 nm mengisi ulang status terangsang, menghambat peluruhan cepat (ns) berikutnya ke status dasar [38].
a Prinsip GSD pada NV− dalam ND menggunakan berkas probe pada 594 nm (kuning), berkas depleksi pada 638 nm (merah) dan berkas reset pada 488 nm (biru). GS status dasar, ES status terangsang dan MS status metastebel dari pusat NV. Ilustrasi dari pusat NV dalam nanobalintam. b Representasi skematis dari pengaturan eksperimen. Sistem terdiri dari mikroskopi konfokal buatan sendiri dengan tiga laser yang beroperasi pada panjang gelombang 488 nm, 594 nm dan 638 nm. Dalam setiap jalur berkas, modulator optik akustik (AOM) dipasang untuk membuat denyut optik dari berkas cahaya kontinyu dan menyinkronisasikan satu sama lain. Setelah menyebar melalui AOM, filter spasial membersihkan profil spasial berkas. Lensa sekunder memcollimate setiap berkas untuk penyebaran lebih lanjut. Pertama, berkas laser pada panjang gelombang 488 nm dan 638 nm diaturnya spasial menggunakan cermin dikroik long-pass laser-datar 532-nm (Semrock- LPD01 532R). Cermin dikroik sekunder (Semrock- R405/488/543/638) secara spasial menyelaraskan semua tiga berkas dengan memantulkan panjang gelombang 488 nm dan 638 nm dan mentransmisikan panjang gelombang 594 nm. Profil spasial berkas depleksi pada panjang gelombang 638 nm dirangka menjadi berkas donut menggunakan piring fase. Lebih lanjut, piring gelombang setengah ditempatkan sebelum objektif untuk memastikan polarisasi sirkular berkas depleksi. Objektif immersi minyak dengan bukaan numerik tinggi (NA = 1,4) digunakan untuk citra ND. Cermin dikroik (Semrock- LP02-671RU-25) memisahkan fluoresensi dari pusat NV− dari panjang gelombang eksitasi dan mengalihkannya ke detektor dioda Avalanche satu foton (SPCM-AQRH-14FC) melalui serat tunggal yang bertindak sebagai lubang sempit. Representasi skematis dari pengaturan optik ditunjukkan dalam Gambar 1b.
Demikian pula dengan STED, berkas depleksi dirangka spasial menjadi berkas donut di bidang vertikal untuk mencapai citra super-resolusi [24]. Resolusi d dari nanoskopi GSD mengikuti Eq. [23]:
dengan NA yang menandakan bukaan numerik objektif, Is intensitas saturan di mana setengah fluoresensi diuraikan dan ID max nilai intensitas maksimum dari puncak yang membatasi nol.
Kami mengukur resolusi citra 36 nm untuk satu pusat NV− dalam ND tergantung pada intensitas berkas depleksi. Lebih lanjut, dua pusat NV− yang dipisahkan oleh 72 nm telah terpecahkan. Karya kami menjanjikan untuk nanoskopi floresen dalam sel hidup dengan ND yang mengandung pusat NV− sebagai biomarker.
Metode Eksperimen
Untuk eksperimen ini, suspensi nanobalintam (HPHT) tekanan tinggi dan suhu tinggi yang secara nominal berukuran 100 nm [39, 40], dibersihkan asam dan dicairkan dalam solusi MilliQ, digunakan. Volume 20 µl solusi ND (dicairkan 1:200 dalam air MilliQ) dicetak titik pada selang borosilikat yang dibersihkan oleh asher oksigen plasma dan dikeringkan di udara [37]. Pengaturan eksperimen untuk nanoskopi GSD terdiri dari mikroskopi konfokal buatan sendiri dengan dua laser dioda gelombang kontinyu pada panjang gelombang 488 nm dan 638 nm dan laser helium–neon (HeNe) gelombang kontinyu pada panjang gelombang 594 nm. Dalam setiap jalur berkas, modulator optik akustik (AOM) dipasang untuk membuat denyut optik dari berkas cahaya kontinyu dan menyinkronisasikan satu sama lain. Setelah menyebar melalui AOM, filter spasial membersihkan profil spasial berkas. Lensa sekunder memcollimate setiap berkas untuk penyebaran lebih lanjut. Pertama, berkas laser pada panjang gelombang 488 nm dan 638 nm diaturnya spasial menggunakan cermin dikroik long-pass laser-datar 532-nm (Semrock- LPD01 532R). Cermin dikroik sekunder (Semrock- R405/488/543/638) secara spasial menyelaraskan semua tiga berkas dengan memantulkan panjang gelombang 488 nm dan 638 nm dan mentransmisikan panjang gelombang 594 nm. Profil spasial berkas depleksi pada panjang gelombang 638 nm dirangka menjadi berkas donut menggunakan piring fase. Lebih lanjut, piring gelombang setengah ditempatkan sebelum objektif untuk memastikan polarisasi sirkular berkas depleksi. Objektif immersi minyak dengan bukaan numerik tinggi (NA = 1,4) digunakan untuk citra ND. Cermin dikroik (Semrock- LP02-671RU-25) memisahkan fluoresensi dari pusat NV− dari panjang gelombang eksitasi dan mengalihkannya ke detektor dioda Avalanche satu foton (SPCM-AQRH-14FC) melalui serat tunggal yang bertindak sebagai lubang sempit. Representasi skematis dari pengaturan optik ditunjukkan dalam Gambar 1b.
Nanopartikel emas dengan ukuran rata-rata 40 nm dicetak titik pada selang kaca dan dicitrakan untuk menyelidiki profil spasial berkas depleksi. Fungsi distribusi titik berbentuk donut dengan cincin intensitas tinggi dan minimum lokal di tengahnya diamati (inset Gambar 1b).
Kami pertama kali menyelidiki respons temporal dari setiap denyut laser. AOM dikontrol melalui LabVIEW menggunakan generator denyut multichannel (PulseBlasterESR-PRO) yang mengontrol properti temporal individu dari setiap berkas laser, serta waktu antara tiga berkas. Karena jalur optik yang berbeda untuk masing-masing laser, denyut optik yang dihasilkan pada waktu yang sama memiliki waktu kedatangan yang sedikit berbeda di detektor. Ini memungkinkan kami untuk memiliki kontrol temporal atas semua tiga berkas laser pada skala waktu sub-mikrodetik.
Waktu naik dan turun 60 ns diukur untuk berkas eksitasi (Gambar 1c). Denyut optik pada panjang gelombang 594 nm dan 638 nm tiba dengan pemisahan 85 ns dan 155 ns terhadap denyut pada panjang gelombang 488 nm. Setiap denyut laser menghasilkan fluoresensi yang berasal dari beberapa sumber berbeda, termasuk pusat NV−, pengotor lain dalam ND dan defek dalam selang kaca. Hanya fluoresensi yang dihasilkan oleh berkas eksitasi yang relevan untuk citra GSD. Fluoresensi dari denyut laser lain berkontribusi pada bising citra fluoresensi. Untuk alasan itu, gating waktu diperkenalkan untuk menghilangkan fluoresensi yang dihasilkan oleh denyut laser selain berkas probe. Ini dicapai dengan gating deteksi dengan waktu kedatangan denyut berkas probe, secara efektif menyaring sumber floresensi lain dan meningkatkan rasio sinyal-bising citra.
Sebuah urutan denyut tipikal untuk nanoskopi GSD dan jendela deteksi diberikan dalam Gambar 1d. Mematikan fluoresensi pusat NV− dicapai dengan menyimpan elektron ke status yang berumur panjang dengan denyut depleksi pada panjang gelombang 638 nm. Eksitasi pusat NV− di wilayah sub-difraksi disediakan oleh denyut pada panjang gelombang 594 nm, sementara denyut pada panjang gelombang 488 nm mengeset kembali pusat NV− ke status terangsang. Urutan denyut diulang 500–1000 kali untuk memastikan rasio sinyal-bising yang tinggi. Panjang denyut dalam rentang 10–20 μs untuk berkas probe (594 nm) dan berkas reset (488 nm). Panjang denyut optimal dari berkas depleksi ditemukan ~ 300 μs (Gambar 2d). Optimasi durasi denyut berkas didasarkan pada Ref. [24]; namun, optimisasi yang lebih sistematis harus dilakukan untuk meningkatkan resolusi akhir. Diharapkan bahwa resolusi bergantung pada durasi denyut berkas inhibisi, yang terbatas oleh umur status metastebel.
a Fluoresensi dari satu pusat NV− berdasarkan eksitasi 488 nm dan 638 nm. Fluoresensi yang terdeteksi meningkat ketika kedua laser secara bersamaan menangsangkan pusat NV−. b Ketergantungan fluoresensi pada daya depleksi. Ilustrasi urutan denyut ditampilkan dalam inset. Fluoresensi hanya terdeteksi ketika laser probe pada 594 nm menyala. c Kurva antibunching dari pusat NV− yang menunjukkan fungsi korelasi orde kedua < 0,5 pada waktu nol penundaan
Hasil dan Pembahasan
Mekanisme switching on/off diselidiki dengan menangsangkan satu pusat NV− di bawah sumber laser pada panjang gelombang 638 nm dan 488 nm (Gambar 2a). Peningkatan emisi fluoresensi dari pusat NV− hanya terdeteksi ketika kedua berkas secara spasial tumpang tindih. Perilaku emisi ini dipahami, mengasumsikan bahwa berkas pada panjang gelombang 638 nm secara preferensi menyimpan elektron ke status yang berumur panjang, sementara berkas pada panjang gelombang 488 nm memungkinkan emisi spontan (Gambar 1a). Kami mengasumsikan umur status yang berumur panjang dari pusat NV− lebih pendek (pengukuran satu untuk ND adalah 33–127 ns dari ref.[38], sementara transisi status singlet adalah 300 ns [41]) dari umur status metastebel dalam balintam massa (diukur 150 s) [24] dan jauh lebih lama dari umur status terangsang [37].
Satu pusat NV− dipilih menggunakan pengukuran antibunching (Gambar 2c) untuk mempelajari daya yang diperlukan untuk berkas depleksi untuk mematikan fluoresensi secara efektif dalam bentuk donut [42]. Berkas pada panjang gelombang 594 nm ditambahkan untuk memprobe apakah satu pusat NV− berada dalam status on atau off. Gambar 2b menunjukkan ketergantungan fluoresensi dari pusat NV− yang dipilih pada intensitas berkas depleksi. Penurunan cepat dalam fluoresensi diamati. Pada daya depleksi 151,2 μW, pusat NV− secara efektif dimatikan.
Di sini, untuk pertama kalinya sepengetahuan kami, kami menunjukkan nanoskopi GSD yang diterapkan pada ND untuk citra super-resolusi dari satu pusat NV−.
Untuk mencapai super-resolusi melalui GSD, semua emitor yang ditutupi oleh berkas eksitasi difokuskan secara sementara dimatikan, kecuali di wilayah berukuran sub-difraksi, karena tumpang tindih berkas depleksi berbentuk donut yang memindahkan pusat ke status gelap yang berumur panjangnya. Resolusi yang diperoleh dapat diukur oleh profil di bidang fokus di mana pusat “on” dan skalanya sesuai dengan Eq. (1), di mana Is berskor terbalik dengan umur status yang terlibat dan dengan penampang silang inhibisi transisi optik switch-off [43, 44].
Gambar 3a menunjukkan citra fluoresensi super-resolusi dari satu pusat NV− dalam ND (Gambar 2c). Lebar setengah maksimum (FWHM) adalah 57 nm di arah x dan 42 nm di arah y (Gambar 3c).
a Citra fluoresensi dari satu pusat NV− yang super-resolusi berdasarkan nanoskopi GSD. Waktu tinggal 10 ms dan ukuran piksel 2 nm. b Resolusi vertikal sebagai fungsi dari daya depleksi. Ketidakcocokan antara eksperimen dan teori kemungkinan besar disebabkan oleh ketidaksempurnaan dalam materi tuan rumah dan perubahan dalam lingkungan lokal ND dibandingkan balintam massa. Teori didasarkan pada pusat NV dalam balintam massa. c Profil potret citra di sepanjang sumbu x dan sumbu y dengan resolusi FWHM 57 nm dan 42 nm, masing-masing. Garis padat mewakili cocokan terbaik
Hubungan antara daya depleksi dan resolusi ditunjukkan dalam Gambar 3b. Kurva teoretis didasarkan pada Eq. (1). Daya tambahan yang diperlukan untuk menekan fluoresensi pusat NV− untuk data eksperimen diatribusikan pada lingkungan lokal dalam tuan rumah ND dan umur status metastebel yang lebih pendek [38] dibandingkan massa. Perhatikan bahwa resolusi maksimum 42 nm dicapai pada 2,2 mW, sementara dalam Ref. [24] resolusi 12 nm dicapai dengan 16 mW, yang sesuai dengan intensitas puncak 12 MW/cm2 untuk berkas depleksi.
Selanjutnya, kami menerapkan nanoskopi GSD untuk menunjukkan citra skala nano dari dua pusat NV− yang berdekatan erat. Gambar 4a menunjukkan citra konfokal dari pusat NV−. Dalam nanoskopi GSD, dua pusat NV− tunggal dicitrakan dengan resolusi skala nano (Gambar 4b). Jarak antar pusat antara dua pusat NV− adalah 72 nm (Gambar 4c). FWHM untuk dua pusat NV− yang terpecahkan di arah y adalah 36 nm (Gambar 4d) dan 38 nm, masing-masing (Gambar 4e). Kami mengatribusikan ketidaksejajaran antara sumbu utama ND dan pusat NV− yang terpecahkan pada drift mekanis selama pemindaian citra konfokal.
a Peta fluoresensi konfokal 500 × 500 nm (waktu tinggal 2 ms dan ukuran piksel 1 nm) dan b citra super-resolusi 300 × 300 nm dari persegi putih dalam (waktu tinggal 24 ms dan ukuran piksel 1 nm) b dari dua pusat NV−. Titik konfokal individual dipecahkan menjadi dua titik fluoresensi redup yang terpisah. c Potret di sepanjang sumbu X yang menunjukkan pemisahan 72 nm antara dua puncak yang sesuai dengan lokasi jarak antar pusat dari dua pusat NV. d Potret di sepanjang sumbu Y dengan resolusi FWHM yang diukur 36 nm dan 38 nm, yang sesuai dengan NV− 1 dan NV− 2 dalam b, masing-masing
Kesimpulan
Dalam karya ini, kami telah menerapkan nanoskopi GSD menggunakan status metastebel dari pusat NV− dalam nanobalintam, menunjukkan citra super-resolusi dari pusat NV−. Satu pusat NV− dengan FWHM 36 nm terpecahkan. Skala resolusi terhadap intensitas berkas depleksi juga ditunjukkan, dan super-resolusi maksimum dicapai dengan daya depleksi 2,2 mW. Lebih lanjut, dua pusat NV− yang dipisahkan oleh 72 nm terpecahkan. Hasil ini membuka kemungkinan untuk menyelidiki kopling dipolar antara pusat NV− yang berdekatan [45], kemampuan untuk penginderaan kuantum resolusi spasial tinggi berdasarkan properti spin NV− [6, 18, 46,47,48] serta aplikasi penginderaan multifungsi lainnya berdasarkan balintam massa [49] yang diperluas ke ND [50].
Dalam kertas ini, kami juga telah menunjukkan bahwa konsentrasi nitrogen dalam balintam adalah dasar dari mekanisme GSD dan CSD untuk super-resolusi, yang dicapai dalam balintam yang di-dotasi nitrogen tinggi dan rendah, masing-masing. Oleh karena itu, ND yang dirancang untuk metode tertentu harus mengikuti. Dipahami bahwa CSD dapat lebih mudah diterapkan untuk penginderaan spin karena konsentrasi nitrogen rendah; namun, status muatan NV0 akan membatasi properti penginderaan kuantum CSD, sementara menstabilkan status muatan NV− menggunakan penampan selain nitrogen dapat membawa sensitivitas yang jauh lebih tinggi dari GSD yang diterapkan pada penginderaan kuantum spin.
Nanoskopi GSD dari pusat NV− dalam ND menggunakan daya rendah (~ 300 μW) untuk intensitas optik dibandingkan balintam massa, dan lebih cocok untuk sampel biologis. Resolusi GSD dapat ditingkatkan dengan menentukan dotasi nitrogen optimal [34], dengan mempelajari efek passivasi permukaan dan pengotor lain pada umur status metastebel NV− dalam ND dan dengan merangka ND dengan pengotor foto-luminesensi yang lebih sedikit.
Sehubungan dengan penginderaan spin, konsentrasi nitrogen tinggi dalam ND komersial saat ini yang berasal dari HPHT dan mikrobintang dengan kandungan nitrogen tinggi membatasi sensitivitas spin sesuai dengan kontras resonansi magnetik terdeteksi optik yang berkurang [34]. Oleh karena itu, dopan lain harus dipertimbangkan untuk menstabilkan status muatan NV− tanpa memperkenalkan dekoherensi [50, 51].
Akhirnya, menggabungkan metode ini dengan eksitasi gelombang mikro [18, 52,53,54], itu dapat memberikan pendekatan alternatif untuk citra magnetik optis super-resolusi dalam ilmu kehidupan jika properti materi ND saat ini dapat dirangka dengan lebih baik untuk aplikasi ini.
Ketersediaan Data dan Bahan
Data yang digunakan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis yang bertanggung jawab atas permintaan yang wajar.
Singkatan
NDs: Nanobalintam NV: Nitrogen-vakansi STED: Depleksi emisi terangsang GSD: Depleksi keadaan dasar CSD: Depleksi status muatan FWHM: Lebar setengah maksimum HPHT: Tekanan tinggi dan suhu tinggi AOM: Modulator optik akustik
