나노다이아몬드의 질소 결핍 센터에 대한 그라운드-스테이트 고갈 나노스코피

소개

다이아몬드의 질소-결손(\({\text{NV}}}^{ - }\)) 중심은 치환된 질소와 인접한 공석으로 구성되어 여러 과학 기술 분야에서 폭넓은 관심을 불러일으켰습니다. 미래 양자 컴퓨터의 양자 메모리[1], 매우 민감한 자력계[2] 살아있는 세포[3] 및 뉴런 활동의 생체의학 이미징에 응용되고[4], 다양한 초해상도 이미징 방법에서 원자 규모 프로브로 사용 STED(Stimulated Emission Depletion) 현미경과 그 스핀 변형, GSD(Ground-State Depletion) 현미경의 변형[5,6,7], 나노미터 스핀 국소화를 사용한 SMLM(Single molecule stochastic localization microscopy)[8]이 있습니다. 특히 형광현미경에서 회절한계를 극복하는 방법은 오늘날 생물의학의 패러다임 변화를 나타내고[9], 다이아몬드의 \({\text{NV}}^{ - }\) 새로운 나노프로브. 높은 양자 수율을 갖는 \({\text{NV}}^{ - }\) 광발광의 다이아몬드 불활성, 높은 생체 적합성, 견고성 및 광 안정성으로 인해 생물 의학 및 생체 광자학[10, 11] 및 뇌 현미경[12]에서도 나노다이아몬드(ND)로 알려진 나노구조 형태[13, 14]. ND는 호스트 벌크 다이아몬드의 유사한 NV 형광 특성을 유지하며 생명 과학 초해상도 이미징 응용 분야에 더 적합하다는 장점이 있습니다[15]. 그러나 현재 대량 생산되는 형광성 ND의 모양 및 물질 질소 도핑의 불균일성으로 인해 벌크 다이아몬드에 비해 NV의 다양한 특성을 유도하고 종종 다른 불순물을 호스팅하기 때문에 ND를 사용한 초해상도 이미징은 일반적으로 벌크 다이아몬드에 비해 더 어렵습니다. .

더 나은 순도의 벌크 다이아몬드와 비교하여 ND에 초해상도 방법을 적용하는 데 제한이 있는 것은 ND 질소의 불균일성으로 인한 \({\text{NV}}^{ - }\)의 광-물리적 특성의 가변성과 관련이 있습니다. 농도, 전하 트랩 및 기타 불순물 농도.

ND의 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심의 나노 스케일 이미징은> 650mW의 공핍 빔 전력을 사용하여 STED 현미경으로 20nm 해상도를 달성하는 것으로 입증되었습니다[16, 17](최대 적은 3.7GW/cm ² 로 대량의 해상도를 달성했습니다. [5]); 그러나 광독성을 줄이기 위해 나노스케일 생체내 세포 이미징과 같이 μW 정도의 광학 강도로 나노 스케일 해상도를 달성하는 이미징 양식이 필요합니다. ND는 벌크 플랫폼에서는 불가능하고 STED 또는 GSD 현미경보다 광독성이 적은 SMLM[18]을 사용하여 자기장의 초해상도 이미징에 사용된 세포 라벨링을 가능하게 하는 이점이 있습니다. GSD를 사용하여 벌크 다이아몬드에서 \({\text{NV}}}^{ - }\)의 이전 초고해상도 이미징은 중심을 발광 상태로 여기시키는 532nm의 고강도 빔을 사용하여 바닥 상태를 고갈시킴으로써 달성되었습니다. 따라서 바닥 상태의 고갈은 여기 상태를 통해 발생합니다[7]. 그러나 이 접근 방식은 또한 초해상도를 달성하기 위해 매우 높은 광학 강도(수 GW/cm ² 해상도 <10nm를 달성하기 위해) 및 포지티브 이미지를 얻기 위한 이미징 재구성 알고리즘[19]. 피코초 펄스 레이저를 사용하여 \({\text{NV}}^{ - }\)의 중성 전하 상태(\({\text{NV}}^{0 }\) 575nm에서 제로 포논 라인) 벌크 다이아몬드에서 전하-상태 변환(CSD) 공핍 나노스코피[20, 21]로 알려진; 그러나 공핍 빔 평균 전력은 1mW로 12nm 분해능을 달성했으며 메커니즘은 물질에 따라 달라지는 것으로 보입니다. 즉, 일반적으로 전자 등급 화학 기상 증착에서 달성되는 초저 질소 농도(5ppb 미만[21])입니다. 벌크 다이아몬드.

벌크 다이아몬드의 \({\text{NV}}^{ - }\) 센터의 GSD 나노스코피에 대한 대안적인 접근 방식은 준안정 어두운 상태를 사용하여 원래와 같이 수명이 긴 준안정 상태를 통해 훨씬 더 낮은 전력을 사용하여 기저 상태를 고갈시켰습니다. Ref. [22] Ref. [23] 유기 염료 Atto532를 사용한 포유동물 세포에서.

GSD의 원리는 2-빔 접근법을 통해 형광 마커의 형광을 비활성화하는 것입니다. 첫 번째 빔은 형광단을 여기 상태로 여기하는 여기 또는 프로브 빔이고 두 번째 빔은 형광을 끄는 억제 빔입니다. 형광의 비활성화는 형광단의 집단을 준안정 상태 또는 수명이 긴 삼중항 상태로 일시적으로 보류함으로써 달성됩니다. 단일항 준안정 상태와 삼중항 상태 사이의 광학적 전이는 스핀 플립을 필요로 하므로 광학적으로 억제됩니다[23].

참조에서 [24], GSD는 \({\text{NV}}^{ - }\)를 non-in-line으로 가져오는 CW 적색 레이저(638nm)에서 중심을 25에서 200μW로 지속적으로 펌핑하여 활성화되었습니다. 수명이 긴 준안정 상태를 채워서 바닥 상태를 고갈시켜 형광 상태를 만드는 반면, 청색 레이저(476nm)는 더 높은 에너지 상태로의 전환을 유도하는 어두운 준안정 상태를 비우는 데 사용되었습니다. 여기에서 638nm 레이저는 효율적이지 않더라도 중심을 여기시키고 준안정 상태로 유지하는 데에도 사용됩니다. \({\text{NV}}^{ - }\)는 청색 및 적색 레이저로 여기될 때만 발광을 보였다. 16nm의 분해능은 5mW의 공핍 레이저 전력으로 달성되었으며, 이는 STED 또는 이전 GSD에서 사용된 것보다 훨씬 낮습니다. 이 방법의 한 가지 가능한 제한은 질소 함량이 더 적거나 더 많은 다른 유형의 다이아몬드에서 준안정 상태의 속성에 대한 의존성일 수 있으며, 이는 적용 가능성을 제한합니다. 참조에서 [24], 벌크 다이아몬드는 500ppm의 질소 농도에 해당하는 유형 IIa 광학 등급 다이아몬드로, 낮은 질소 농도(<5 ppb)에 의존하는 CSD에 대한 보다 최근의 연구[21]보다 훨씬 높습니다. . Ref. [21] Ref. [24] \({\text{NV}}^{ - }\)의 중성 전하 상태는 높은 질소 농도에서 NV ^−/0 전하 변환이 억제되고 [25] NV는 주로 음전하 상태에 있습니다. 더욱이, 암 상태의 측정된 수명은 매우 길고 전하 변환 과정에 기인할 수 없습니다. 실제로 CSD는 높은 질소 농도, 기타 결함으로 인한 전하 불안정성 및 물질 통제.

ND에서 CSD가 발생할 수 없다는 가설로 인해 ND의 \({\text{NV}}^{ - }\) 센터에서 GSD 나노스코피를 설정하는 메커니즘도 아직 보고되지 않았습니다.

이 논문에서 우리는 GSD가 ND에서 수행될 수 있음을 보여주고 GSD 및 CSD 방법이 다이아몬드 질소 농도에 의존함을 증명하고 특정 초해상도 및 스핀 감지 방법을 위한 ND 재료 공학의 필요성을 재촉합니다.

이 논문에서 우리는 긴 수명 준안정 상태의 전자를 3개 빔 접근 방식과 300μW를 사용하여 여기 상태를 완전히 고갈시키고 최대 분해능을 달성합니다. 여기에서 우리는 NDs에서 \({\text{NV}}^{ - }\) 속성이 이전에 생각했던 것처럼 이 방법의 적용 가능성을 제한하지 않음을 보여줍니다[24]. 더 나아가 우리는 SMLM[26]과 STED 현미경[17]을 사용하여 이전에 보여진 것과 같이 동일한 ND 내에서 두 개의 \({\text{NV}}^{ - }\) 센터를 구별할 수 있었습니다.

우리 작업에서 기저 상태 고갈의 메커니즘이 CSD가 아니라 암흑 수명 준안정 상태 때문이라는 것을 입증하기 위해 NV ^−/0 와 관련된 주요 최근 결과를 요약할 것입니다. 충전 상태 변환. 광유도 이온화와 관련하여 NV ^−/0 의 재조합 전하 상태는 철저하게 연구되었으며 여기 파장에 의존하는 것으로 밝혀졌습니다[27, 28]. 적색(또는 청색) 레이저 여기를 위한 전하 상태 전환과 NV를 전환하는 데 사용되는 적색 여기 중성 충전 상태로. 낮은 레이저 출력에서 ​​발생하는 이 빠른 스위칭은 질소 농도가 잘 제어되고 일반적으로 매우 낮은 화학 기상 증착에 의해 성장된 벌크 다이아몬드에서만 전하 상태 공핍 나노스코피[21] 및 확률론적 광학 재구성 나노스코피[8]를 구현하는 데 사용되었습니다. 저온 성장 때문입니다. NV의 전하 상태 변환을 기반으로 하는 여기 파장으로 인한 스위칭 역학은 ND[18, 26, 29]에서 관찰되지 않았으며, 깜박임은 제조 공정 중 기계적 손상으로 인해 생성된 전하 트랩으로 인해 발생했습니다(일반적으로 HPHT 고질소 농도 마이크로다이아몬드) 또는 산화와 관련된 기타 효과[26, 29,30,31] 또는 다른 수용체 불순물과의 근접성[18, 32], 따라서 NV ^-/0 와 관련이 없습니다. 요금 변환. NV ^- 전하 변환은 또한 다이아몬드 격자의 전자 공여체 불순물 농도에 크게 의존합니다. 즉, 중성 전하 상태로의 음의 상태 변환은 공여체 불순물(질소) 농도가 높을 경우 억제됩니다[25]. 실제로 NV 전하 상태를 안정화하기 위해 다이아몬드에서 도너와 억셉터를 사용하는 것이 제안되었습니다[33]. 이러한 연구의 대부분은 벌크 다이아몬드에서 수행되었으며 최근 연구[34]만이 저온에서 ND의 성장이 더 낮은 질소 혼입을 허용하고, 따라서 ND가 적색에 대한 강한 전하 상태 전환을 갖는 순수한 벌크 다이아몬드처럼 행동한다는 것을 보여주었습니다. 또는 청색) 레이저 여기, 더 많은 질소 불순물을 포함하는 고온 성장은 이러한 전하 변환을 상당히 억제합니다.

ND에서는 NV ^−/0 를 관찰하지 않았습니다. 레이저 파장 여기로 인한 전하 변환, 그리고 표면으로 인한 깜박임 없이 여기에서 사용된 ND의 큰 크기(~ 100nm)를 고려할 때 이전에 수행한 것처럼 실제로 어두운 상태를 준안정 상태로 돌립니다[24]. 전하 상태, 더 중요한 것은 높은 질소 농도입니다. 여기서 연구된 ND는 질소 농도가 500ppm 이상인 HPHT 마이크로다이아몬드에서 상업적으로 파생됩니다. Ref.의 준안정 상태. [24] 또한 150초의 매우 긴 수명으로 증명됩니다.

\({\text{NV}}^{ - }\) 중심은 일반적으로 532 또는 561 nm를 사용하여 가장 잘 여기되는데, 이는 삼중항 기저 상태와 여기 사이의 전환에 해당하는 637 nm에서 0 포논 라인을 가지고 있기 때문입니다[35]. 상태, 주로 스핀 보존 전이. 또한 중심이 비복사 붕괴를 통해 통과하는 단일항 준안정 상태가 존재합니다[36]. ND에서 \({\text{NV}}^{ - }\)의 광학 전환 수명은 약 22ns[37]로, 12ns[35]의 대량 다이아몬드에 비해 더 깁니다.

594 nm의 여기(프로브) 빔은 바닥 상태에서 여기 상태로의 전환을 촉진하는 반면, 638 nm의 공핍 빔은 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심의 전자를 일시적으로 선반에 놓습니다. 비방사성 시스템 간 교차를 통해 여기 상태에서 준안정 상태로 전환됩니다(그림 1a). 프로브로 594nm를 사용하는 것은 녹색(일반적으로 532 또는 561nm)과 비교할 때 어두운 상태 인구의 최소 변경으로 정당화됩니다[24]. 이 방법은 시스템 간 교차를 효과적으로 포화시키고 바닥 상태를 비워 594 nm로 조사할 때 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심의 여기 상태로 여기되고 후속 형광 방출을 방지합니다. 마지막으로 488nm의 파란색 레이저가 여기 상태를 다시 채우고 바닥 상태로의 빠른(ns) 붕괴를 억제합니다[38].

아 594nm(노란색)의 프로브 빔, 638nm의 공핍 빔(빨간색) 및 488nm의 재설정 빔을 사용하는 ND의 \({\text{NV}}^{ - }\) GSD의 원리( 푸른). NV 중심의 GS 기저 상태, ES 여기 상태 및 MS 준안정 상태. 나노다이아몬드의 NV 센터 그림. ㄴ 실험 설정의 개략도. 이 시스템은 488nm, 594nm, 638nm의 파장에서 작동하는 3개의 레이저가 있는 집에서 제작한 공초점 현미경으로 구성되어 있습니다. 소용돌이 위상판은 638nm 공핍 빔을 도넛 빔으로 공간적으로 엔지니어링하여 회절 제한 영역 주변에서만 공핍을 보장합니다. ㄷ 각 레이저의 펄스 도달 시간을 측정하여 음향 광학 변조기의 특성화. d GSD 나노스코피에 사용되는 펄스 시퀀스의 개략도. 감지 창은 594nm에서 프로브 빔과 동기화되어 관련 형광만 수집합니다. 594nm 프로브 빔의 펄스 길이는 20μs로 최적화되었습니다. 펄스 길이가 짧을수록 평균화 시간이 길어지고 펄스 길이가 길어지면 초해상도 이미징 효율성이 떨어지기 때문입니다. 488nm 리셋 빔은 전체 펄스 시퀀스 시간을 줄이면서도 수명이 긴 준안정 상태를 효과적으로 비우기 위해 가능한 한 짧게 하는 것이 바람직하기 때문에 20μs에서 최적화되었습니다.

STED와 유사하게, 공핍 빔은 초고해상도 이미징을 달성하기 위해 횡단면에서 도넛 빔으로 공간적으로 엔지니어링됩니다[24]. 해상도 d GSD Nanooscopy의 Eq. [23]:

NA 대물 렌즈의 개구수를 나타내는 \(I_{{\text{s}}}\) 형광의 절반이 고갈되는 포화 강도 및 \(I_{{\text{D}}}^{\ max }\) 0에 인접한 피크의 최대 강도 값입니다.

공핍 빔 강도에 따라 ND의 단일 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심에 대해 36nm의 이미징 해상도를 측정했습니다. 또한 72nm로 분리된 두 개의 \({\text{NV}}^{ - }\) 센터가 해결되었습니다. 우리의 연구는 바이오마커로 \({\text{NV}}^{ - }\) 센터를 포함하는 ND를 가진 살아있는 세포 내 형광 나노스코피에 대해 유망합니다.

실험 방법

이 실험을 위해 명목상 100nm 크기의 고압 고온(HPHT) ND 현탁액[39, 40], 산 세척 및 MilliQ 용액으로 희석한 현탁액을 사용했습니다. 20µl의 ND 용액(MilliQ 물에 1:200 희석)을 산소 플라즈마 애셔로 세척한 붕규산 커버슬립에 드롭 캐스트하고 공기 중에서 건조했습니다[37]. GSD 나노스코피의 실험 설정은 488nm 및 638nm 파장의 연속파 다이오드 레이저 2개와 파장 594nm의 HeNe(연속파 헬륨-네온) 레이저가 있는 집에서 제작한 공초점 현미경으로 구성되었습니다. 각 빔 경로에는 AOM(음향 광학 변조기)이 설치되어 연속 광선에서 광학 펄스를 생성하고 서로 동기화했습니다. AOM을 통해 전파된 후 공간 필터는 공간 빔 프로파일을 정리했습니다. 추가 전파를 위해 보조 렌즈가 각 빔을 시준했습니다. 먼저 488nm 및 638nm 파장의 레이저 빔을 532nm 롱패스 레이저 플랫 다이크로익(Semrock-LPD01 532R)을 사용하여 공간적으로 중첩했습니다. 2차 dichroic(Semrock-R405/488/543/638)은 488nm 및 638nm 파장을 반사하고 594nm 파장을 전송하여 세 가지 빔을 모두 공간적으로 겹쳤습니다. 638nm 파장에서 공핍 빔의 공간 빔 프로필은 위상판을 사용하여 도넛 빔으로 설계되었습니다. 또한, 공핍 빔의 원형 편광을 보장하기 위해 1/4 파장 플레이트를 대물렌즈 앞에 배치했습니다. 높은 개구수(NA =1.4) 오일 침지 대물렌즈를 사용하여 ND를 이미지화했습니다. 이색성(Semrock-LP02-671RU-25)은 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심의 형광을 여기 파장에서 분리하고 단일 광자 Avalanche 다이오드(SPCM-AQRH -14FC) 핀홀 역할을 하는 단일 모드 광섬유를 통한 검출기. 광학 설정의 개략도는 그림 1b에 나와 있습니다.

평균 크기가 40nm인 금 나노입자를 유리 커버슬립에 떨어뜨리고 공핍 빔의 공간적 프로파일을 조사하기 위해 이미지화했습니다. 강도가 높은 링과 중앙에 국소 최소값이 있는 도넛 모양의 점 스프레드 함수가 관찰됩니다(그림 1b 삽입).

우리는 먼저 각 레이저 펄스의 시간적 응답을 조사했습니다. AOM은 각 레이저 빔의 개별 시간 속성과 세 빔 사이의 타이밍을 제어하는 ​​다중 채널 펄스 생성기(PulseBlasterESR-PRO)를 사용하여 LabVIEW를 통해 제어됩니다. 레이저마다 광 경로 길이가 다르기 때문에 동시에 생성되는 광 펄스는 검출기에 약간 오프셋된 도달 시간을 갖습니다. 이를 통해 마이크로초 미만의 시간 척도에서 세 가지 레이저 빔 모두를 일시적으로 제어할 수 있습니다.

여기 빔에 대해 60ns의 상승 및 하강 시간이 측정되었습니다(그림 1c). 594nm 및 638nm 파장의 광 펄스는 488nm 파장의 펄스에 대해 85ns와 155ns의 간격으로 도달했습니다. 각 레이저 펄스는 \({\text{NV}}^{ - }\) 센터, ND의 기타 불순물 및 유리 커버슬립 내의 결함을 비롯한 여러 다른 소스에서 발생하는 형광을 생성합니다. 여기 빔에 의해 생성된 형광만 GSD 이미징과 관련이 있습니다. 다른 레이저 펄스의 형광은 형광 이미지의 노이즈에 기여합니다. 이러한 이유로 프로브 빔 이외의 레이저 펄스에 의해 생성되는 형광을 제거하기 위해 타임 게이팅이 도입됩니다. 이것은 프로브 빔의 펄스 도달 시간으로 감지를 게이팅하여 다른 형광 소스를 효과적으로 필터링하고 이미징의 신호 대 잡음비를 증가시켜 달성됩니다.

GSD 나노스코피 및 검출 윈도우의 일반적인 펄스 시퀀스는 그림 1d에 나와 있습니다. \({\text{NV}}^{ - }\) 중심 형광을 끄는 것은 638nm의 파장에서 공핍 펄스를 사용하여 전자를 수명이 긴 상태로 보류함으로써 달성되었습니다. 하위 회절 영역의 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심의 여기는 594nm 파장의 펄스에 의해 제공되었으며, 488nm 파장의 펄스는 \({\text {NV}}^{ - }\)는 다시 들뜬 상태로 센터링합니다. 펄스 시퀀스는 높은 신호 대 잡음비를 보장하기 위해 500-1000번 반복되었습니다. 펄스 길이는 프로브 빔(594nm) 및 리셋 빔(488nm)에 대해 10~20μs 범위였습니다. 공핍 빔의 최적 펄스 길이는 ~ 300μs인 것으로 나타났습니다(그림 2d). 빔 펄스 지속 시간의 최적화는 Ref. [24]; 그러나 최종 해상도를 개선하려면 보다 체계적인 최적화를 수행해야 합니다. 해상도는 준안정 상태 수명에 의해 제한되는 억제 빔 펄스 지속 시간에 따라 달라질 것으로 예상됩니다.

<사진>

아 488 nm 및 638 nm 여기를 기반으로 한 단일 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심의 형광. 두 레이저가 동시에 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심을 여기할 때 감지된 형광이 증가합니다. ㄴ 고갈 전력에 대한 형광 의존도. 펄스 시퀀스의 그림이 삽입에 나와 있습니다. 형광은 594nm의 프로브 레이저가 켜져 있을 때만 감지됩니다. ㄷ 2차 상관 함수를 보여주는 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심의 안티번칭 곡선 <0.5 a zero-delay time

결과 및 토론

온/오프 전환 메커니즘은 638nm 및 488nm 파장에서 레이저 소스 아래의 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심을 여기하여 조사했습니다(그림 2a). \({\text{NV}}^{ - }\) 센터의 형광 방출 증가는 두 개의 빔이 공간적으로 중첩된 경우에만 감지되었습니다. 이 방출 거동은 638nm 파장의 빔이 장수명 상태에서 우선적으로 전자를 보류하고 488nm 파장의 빔이 자발적 방출을 허용한다고 가정할 때 이해되었습니다(그림 1a). 우리는 \({\text{NV}}^{ - }\) 센터의 수명이 긴 상태에 대한 수명을 더 짧게 가정했습니다(ND에 대한 유일한 측정은 ref.[38]에서 33–127ns임). 반면 단일항 상태 전이는 300ns[41]) 벌크 다이아몬드의 준안정 상태 수명(150초 측정)[24]보다 훨씬 길며 여기 상태의 수명[37]보다 훨씬 깁니다.

공핍 빔이 도넛 모양의 형광을 효과적으로 소멸시키는 데 필요한 전력을 연구하기 위해 안티 번칭(그림 2c) 측정을 사용하여 단일 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심을 선택했습니다[42]. . 단일 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심이 on 상태인지 off 상태인지를 조사하기 위해 594nm 파장의 빔이 추가되었습니다. 그림 2b는 공핍 빔의 강도에 대한 선택된 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심의 형광 의존성을 보여줍니다. 형광의 급격한 감소가 관찰되었습니다. 151.2μW의 공핍 전력에서 \({\text{NV}}^{ - }\) 센터가 효과적으로 꺼졌습니다.

여기에서 우리가 아는 한 처음으로 단일 \({\text{NV}}^{ - }\) 센터의 초해상도 이미징을 위해 ND에 적용된 GSD 나노스코피를 시연합니다.

GSD를 통해 초해상도를 달성하기 위해 초점을 맞춘 여기빔으로 덮인 모든 이미터는 회절 미만 크기 영역을 제외하고 일시적으로 꺼집니다. 어두운 상태를 살았다. 획득한 해상도는 중심이 "켜져 있는" 초점면의 프로파일로 정량화할 수 있으며 Eq. (1) 여기서 \(I_{s}\)는 관련된 상태의 수명과 광 스위치 오프 전환의 억제 단면에 반비례하여 조정됩니다[43, 44].

그림 3a는 ND에서 단일 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심의 초해상 형광 이미지를 보여줍니다(그림 2c). 반치폭(FWHM)은 x 방향에서 57nm, y 방향으로 42nm입니다(그림 3c).

<그림>

아 GSD 나노스코피를 기반으로 한 초해상 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심의 형광 이미지. 드웰 시간 10ms 및 2nm 픽셀 크기 ㄴ 고갈 전력의 함수로서의 횡방향 분해능. 실험과 이론 사이의 불일치는 호스트 재료의 불완전성과 벌크 다이아몬드와 비교한 ND의 국부 환경 변화로 인해 가장 가능성이 높습니다. 이 이론은 벌크 다이아몬드의 NV 센터를 기반으로 합니다. ㄷ FWHM 해상도가 각각 57nm 및 42nm인 x축 및 y축을 따른 이미지 단면 프로필입니다. 실선은 가장 잘 맞는 것을 나타냅니다.

공핍 전력과 분해능의 관계는 그림 3b에 나와 있습니다. 이론적인 곡선은 Eq. (1). 실험 데이터에서 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심 형광을 억제하는 데 필요한 추가 전력은 ND 호스트의 로컬 환경과 벌크에 비해 준안정 상태 수명이 더 짧기 때문입니다[38]. . 42nm의 최대 분해능은 2.2mW에서 달성되는 반면 Ref. [24] 12nm 분해능은 16mW로 달성되었으며, 이는 12MW/cm ² 의 피크 강도에 해당합니다. 공핍 광선에 대해.

또한, 우리는 GSD 나노스코피를 적용하여 밀접하게 이격된 두 개의 \({\text{NV}}^{ - }\) 센터의 나노 스케일 이미징을 보여주었습니다. 그림 4a는 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심의 공초점 이미지를 보여줍니다. GSD 나노스코피에서 두 개의 단일 \({\text{NV}}^{ - }\) 센터가 나노 스케일 해상도로 이미지화됩니다(그림 4b). 두 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심 사이의 중심 간 거리는 72nm입니다(그림 4c). 두 개의 해결된 \({\text{NV}}^{ - }\)에 대한 FWHM은 y -방향은 각각 36nm(그림 4d) 및 38nm입니다(그림 4e). 우리는 ND의 장축과 해결된 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심 사이의 오정렬을 공초점 이미지 스캐닝 동안 기계적 드리프트로 돌렸습니다.

<그림>

아 500 × 500nm(체류 시간 2ms 및 1nm 픽셀 크기) 및 b의 공초점 형광 지도 초해상 이미지 300 × 300 nm의 흰색 정사각형(체류 시간 24ms 및 1nm 픽셀 크기) b 두 개의 \({\text{NV}}^{ - }\) 센터. 개별 공초점 스폿은 두 개의 별도의 희미한 형광 스폿으로 초해상됩니다. ㄷ 두 NV 중심의 중심 간 거리 위치에 해당하는 두 봉우리 사이의 72nm 간격을 보여주는 X축을 따른 단면입니다. d \({\text{NV}}^{ - }\) 1 및 \({\text{NV}}^{ -에 ​​해당하는 36nm 및 38nm의 측정된 FWHM 분해능으로 Y축을 따른 단면 }\) 2 in b , 각각

결론

본 연구에서는 나노다이아몬드의 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심의 준안정 상태를 사용하여 GSD 나노스코피를 구현하여 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심. FWHM이 36nm인 단일 \({\text{NV}}^{ - }\) 센터가 해결됩니다. 공핍빔의 세기에 따른 분해능의 스케일링도 나타나 있으며 2.2mW의 공핍전력으로 최대 초해상도를 달성한다. 또한 72nm로 분리된 두 개의 \({\text{NV}}^{ - }\) 센터가 해결되었습니다. 이 결과는 \({\text{NV}}^{ - }\) 중심 사이의 쌍극자 결합을 조사할 가능성을 열어주고, \({\text{ NV}}^{ - }\) 스핀 속성 [6, 18, 46,47,48] 뿐만 아니라 벌크 다이아몬드 [49]를 기반으로 하는 기타 다기능 감지 응용 프로그램이 ND [50]로 확장되었습니다.

이 논문에서 우리는 다이아몬드의 질소 농도가 각각 높은 질소 도핑 다이아몬드와 낮은 질소 도핑 다이아몬드에서 달성되는 초해상도를 위한 GSD 및 CSD 메커니즘의 기초임을 보여주었습니다. 따라서 특정 방법에 대해 설계된 ND가 따라야 합니다. CSD는 질소 농도가 낮기 때문에 스핀 감지에 더 쉽게 적용할 수 있습니다. 그러나 NV ⁰ 전하 상태는 CSD의 양자 감지 특성을 제한하는 반면 질소 이외의 다른 공여체를 사용하여 \({\text{NV}}^{ - }\)의 전하 상태를 안정화하면 스핀 양자에 적용된 GSD의 훨씬 더 높은 감도를 가져올 수 있습니다. 감지.

NDs의 \({\text{NV}}^{ - }\) 센터의 GSD 나노스코피는 벌크 다이아몬드에 비해 광학 강도에 대해 저전력(~ 300μW)을 사용하며 생물학적 샘플에 더 적합합니다. GSD 분해능은 최적의 질소 도핑을 결정하고 [34], ND 준안정 상태 수명에서 \({\text{NV}}^{ - }\)에 대한 표면 패시베이션 및 기타 불순물의 영향을 연구하고 다음을 통해 향상될 수 있습니다. 광발광 불순물이 적은 ND를 엔지니어링합니다.

스핀 감지와 관련하여 HPHT와 높은 질소 함량 마이크로다이아몬드에서 파생된 현재 상용 ND의 높은 질소 농도는 광학적으로 감지된 자기 공명 대비 감소에 따라 스핀 감도를 제한합니다[34]. 따라서 디코히어런스를 도입하지 않고 \({\text{NV}}^{ - }\) 전하 상태를 안정화하기 위해 다른 도펀트를 고려해야 합니다[50, 51].

마지막으로, 이 방법을 마이크로웨이브 여기[18, 52,53,54]와 결합하면 현재 ND의 재료 특성이 이 응용 프로그램에 대해 더 잘 엔지니어링될 수 있다면 생명 과학에서 초해상 광학 자기 이미징에 대한 대안적인 접근 방식을 제공할 수 있습니다.

데이터 및 자료의 가용성

현재 연구 중에 사용 및/또는 분석된 데이터 세트는 합당한 요청이 있는 경우 교신 저자에게 제공됩니다.

약어

ND:

나노다이아몬드

네바다주:

질소 결핍

STED:

방출 고갈 촉진

GSD:

지상 상태 고갈

CSD:

충전 상태 고갈

FWHM:

최대 절반에서 전체 너비

HPHT:

고압 및 고온

AOM:

음향 광학 변조기

이온 농도에 의한 솔루션 조정에서 GaN 나노와이어의 안정적이고 가역적인 광발광 종양 치료제에서 감열성 하이드로겔의 연구 진행 상황