Imagerie par déplétion d'état fondamental à haute résolution de centres azote-vacance dans les nanodiamants

Résumé

Le centre azote-vacance chargé négativement (NV⁻) dans les nanodiamants (NDs) a été récemment étudié pour des applications en imagerie cellulaire en raison de sa meilleure photostabilité et biocompatibilité comparé à d'autres fluorophores. L'imagerie super-résolution atteignant une résolution de 20 nm des NV⁻ dans les NDs a été prouvée au fil des ans en utilisant des approches d'imagerie sous-limite de diffraction telles que la microscopie de localisation stochastique de molécules uniques et la microscopie à déplétion d'émission stimulée. Ici, nous montrons la première démonstration de nanoscopie par déplétion d'état fondamental (GSD) de ces centres dans les NDs en utilisant trois faisceaux : un faisceau de sonde, un faisceau de déplétion et un faisceau de réinitialisation. Le faisceau de déplétion à 638 nm force les centres NV⁻ vers l'état métastable sombre partout sauf dans le minimum local, tandis qu'un faisceau gaussien à 594 nm sonde les centres NV⁻ et un faisceau de réinitialisation à 488 nm est utilisé pour repeupler l'état excité. L'imagerie super-résolution d'un seul centre NV⁻ avec une largeur à mi-hauteur de 36 nm est démontrée, et deux centres NV⁻ adjacents séparés par 72 nm sont résolus. La microscopie GSD est ici appliquée aux NV⁻ dans les NDs avec une puissance optique bien plus faible comparée au diamant massif. Ce travail démontre la nécessité de contrôler la concentration d'azote dans les NDs pour adapter leur application dans les méthodes d'imagerie super-résolution et ouvre la voie à des études des interactions à l'échelle nanométrique des NV⁻ dans les NDs.

Introduction

Le centre azote-vacance (NV⁻) dans le diamant, consistant en un azote substitutif avec une lacune voisine, a attiré un large intérêt dans plusieurs domaines scientifiques et technologiques, parmi les plus notables comme mémoire quantique dans les futurs ordinateurs quantiques [1], un magnétomètre très sensible [2] avec applications en imagerie biomédicale de cellules vivantes [3] et d'activité neuronale [4], et comme sonde à l'échelle atomique dans diverses méthodes d'imagerie super-résolution telles que la microscopie à déplétion d'émission stimulée (STED) et sa variante de spin, une variante de microscopie par déplétion d'état fondamental (GSD) [5,6,7] et la microscopie de localisation stochastique de molécules uniques (SMLM) avec localisation de spin nanométrique [8]. En particulier, les méthodes battant la limite de diffraction en microscopie de fluorescence représentent un changement de paradigme dans la science biomédicale d'aujourd'hui [9] et les NV⁻ dans le diamant ont joué un rôle pertinent dans ce domaine comme nouvelle nanoprobe. En raison de l'inertie du diamant, de sa haute biocompatibilité, robustesse et de la photostabilité de la photoluminescence des NV⁻ avec un rendement quantique élevé, il a été largement exploré pour des applications en science biomédicale et biophotonique [10, 11] et en microscopie cérébrale [12] aussi sous sa forme nanostructurée connue sous le nom de nanodiamants (NDs) [13, 14]. Les NDs conservent des propriétés de fluorescence NV similaires à celles du diamant massif hôte avec les avantages d'être plus compatibles pour les applications d'imagerie super-résolution en sciences de la vie [15]. Cependant, en raison de l'hétérogénéité des formes et du dopage en azote des NDs fluorescents produits en masse actuellement, induisant des propriétés variables des NV par rapport au diamant massif et hébergeant souvent d'autres impuretés, l'imagerie super-résolution utilisant les NDs est généralement plus difficile comparée au diamant massif.

Les limitations pour appliquer les méthodes super-résolution aux NDs comparé au diamant massif de meilleure pureté sont associées à la variabilité des propriétés photophysiques des NV⁻ due à l'inhomogénéité de la concentration en azote des NDs, des pièges de charge, et de la concentration d'autres impuretés.

L'imagerie à l'échelle nanométrique des centres NV⁻ dans les NDs a été démontrée avec la microscopie STED avec une puissance de faisceau de déplétion de > 650 mW pour atteindre une résolution de 20 nm [16, 17] (la résolution maximale dans le massif a été atteinte avec quelques 3,7 GW/cm² [5]) ; cependant, une modalité d'imagerie qui atteint une résolution nanométrique avec des intensités optiques de l'ordre de µW est nécessaire pour, par exemple, l'imagerie cellulaire in vivo à l'échelle nanométrique pour réduire la phototoxicité. Les NDs ont l'avantage de permettre le marquage cellulaire, ce qui n'est pas possible avec la plateforme massive et a été utilisé pour l'imagerie super-résolution de champ magnétique en utilisant SMLM [18], qui est moins phototoxique que la microscopie STED ou GSD. La super-résolution précédente des centres NV⁻ dans le diamant massif utilisant GSD a été réalisée en déplétant son état fondamental en utilisant un faisceau de haute intensité à 532 nm excitant les centres vers l'état luminescent ; donc, la déplétion de l'état fondamental se produit via l'état excité [7]. Cependant, cette approche nécessitait également des intensités optiques très élevées pour atteindre la super-résolution (plusieurs GW/cm² pour atteindre une résolution < 10 nm) et un algorithme de reconstruction d'imagerie pour obtenir une image positive [19]. La super-résolution à faible puissance a été réalisée en utilisant un laser pulsé picoseconde induisant la conversion de charge des NV⁻ vers leur état de charge neutre (NV⁰ avec une ligne de phonon zéro à 575 nm) dans le diamant massif, connue sous le nom de nanoscopie par déplétion de conversion d'état de charge (CSD) [20, 21] ; cependant, la puissance moyenne du faisceau de déplétion était de 1 mW pour atteindre une résolution de 12 nm et le mécanisme semble être dépendant du matériau, c'est-à-dire une concentration en azote ultra-faible (inférieure à 5 ppb [21]), généralement atteinte dans le diamant massif CVD de grade électronique.

Une approche alternative de nanoscopie GSD des centres NV⁻ dans le diamant massif a utilisé l'état métastable sombre pour dépléter l'état fondamental en utilisant une puissance bien plus faible via un état métastable à longue durée de vie, comme proposé à l'origine dans Ref. [22] et démontrée pour la première fois dans Ref. [23] dans une cellule mammifère en utilisant le colorant organique Atto532.

Le principe de GSD est la désactivation de la fluorescence d'un marqueur fluorescent par une approche à deux faisceaux. Le premier faisceau est le faisceau d'excitation ou de sonde, qui excite le fluorophore vers l'état excité, et le second faisceau est le faisceau d'inhibition, qui éteint la fluorescence. La désactivation de la fluorescence est réalisée en mettant temporairement la population d'un fluorophore dans un état métastable ou un état triplet à longue durée de vie. Les transitions optiques entre états métastables singulet et états triplet nécessitent un renversement de spin et sont donc optiquement supprimées [23].

Dans Ref. [24], GSD était activé en pompant continuellement le centre de 25 à 200 µW de puissance optique à partir d'un laser rouge CW (638 nm) qui amène les NV⁻ dans un état non fluorescent en peuplant son état métastable à longue durée de vie, déplétant ainsi son état fondamental, tandis qu'un laser bleu (476 nm) était utilisé pour vider l'état métastable sombre en induisant des transitions vers des états d'énergie plus élevés. Ici, le laser 638 nm est utilisé aussi pour exciter le centre même si ce n'est pas efficacement, puis pour l'abriter dans son état métastable. Les NV⁻ montraient une luminescence seulement lorsqu'ils étaient excités avec les deux lasers bleu et rouge. Une résolution de 16 nm était atteinte avec 5 mW de puissance de laser de déplétion, ce qui est bien plus bas que ce qui est utilisé en STED ou GSD précédent. Une limitation possible de cette méthode pourrait être la dépendance des propriétés de l'état métastable de différents types de diamant avec moins ou plus de teneur en azote, ou même plus dans les NDs, limitant son applicabilité. Dans Ref. [24], le diamant massif était un diamant de type IIa de grade optique, ce qui correspond à une concentration en azote de 500 ppm, bien plus élevée que le travail plus récent sur CSD [21], qui repose sur une faible concentration en azote (< 5 ppb). L'affirmation rapportée dans Ref. [21] que l'état sombre de Ref. [24] est l'état de charge neutre des NV⁻ souffre de ne pas considérer qu'à haute concentration en azote, la conversion de charge NV^−/0 est supprimée [25] et NV est predominantly dans son état de charge négatif ; de plus, la durée de vie mesurée de l'état sombre est très longue et ne peut pas être attribuée à un processus de conversion de charge. En fait, CSD n'a pas encore été prouvé dans les NDs fluorescents commerciaux (dérivés de diamant HPHT à haute pression et haute température) en raison de leur haute concentration en azote, instabilité de charge due à d'autres défauts et propriétés photophysiques variables dues au manque de contrôle du matériau.

Le mécanisme pour établir la nanoscopie GSD n'a également pas encore été rapporté avec les centres NV⁻ dans les NDs en raison de l'hypothèse que CSD ne pourrait pas se produire dans les NDs.

Dans cet article, nous montrons que GSD peut être réalisé dans les NDs, prouvant la dépendance des méthodes GSD et CSD sur la concentration en azote du diamant et incitant au besoin d'ingénierie des matériaux NDs pour des méthodes spécifiques de super-résolution et de détection de spin.

Dans cet article, nous démontrons la nanoscopie GSD des centres NV⁻ dans les NDs en utilisant un mécanisme de commutation fluorescent on/off similaire réalisé en abritant les électrons dans l'état métastable à longue durée de vie en utilisant une approche à trois faisceaux et en utilisant 300 µW pour dépléter complètement l'état excité et atteindre la résolution maximale. Ici, nous montrons que les propriétés des NV⁻ dans les NDs ne limitent pas l'applicabilité de cette méthode, comme on le pensait précédemment [24]. De plus, nous avons pu distinguer deux centres NV⁻ dans le même ND comme montré précédemment en utilisant SMLM [26] et microscopie STED [17].

Pour substantier que le mécanisme de déplétion d'état fondamental dans notre travail est dû à un état métastable à longue durée de vie plutôt qu'à CSD, nous résumerons les résultats clés récents en relation avec la conversion d'état de charge NV^−/0. À cet égard, pour photo-induire l'ionisation, la recombinaison des états de charge NV^−/0 a été étudiée en profondeur et trouvée dépendante de la longueur d'onde d'excitation [27, 28], avec commutation d'état de charge pour excitation laser rouge (ou bleu), avec excitation rouge utilisée pour commuter les NV⁻ vers leur état de charge neutre. Cette commutation rapide se produisant à faible puissance laser a été utilisée pour implémenter la nanoscopie par déplétion d'état de charge [21] et la nanoscopie par reconstruction optique stochastique [8] seulement dans le diamant massif cultivé par dépôt chimique en phase vapeur, où la concentration en azote est bien contrôlée et généralement très faible en raison de la croissance à basse température. Cette dynamique de commutation due à la conversion d'état de charge des NV basée sur la longueur d'onde d'excitation n'a pas été observée dans les NDs [18, 26, 29], où le clignotement était dû à des pièges de charge produits par des dommages mécaniques pendant le processus de fabrication (généralement écrasement de microdiamants HPHT à haute concentration en azote) ou d'autres effets associés à l'oxydation [26, 29,30,31] ou proximité avec d'autres impuretés accepteurs [18, 32], et comme tel non lié à la conversion de charge NV^−/0. Il a également été démontré que la conversion de charge NV⁻ dépend aussi fortement de la concentration d'impuretés donneurs d'électrons dans le réseau de diamant, à savoir l'azote ; la conversion de l'état négatif vers l'état de charge neutre est supprimée pour une haute concentration d'impuretés donneurs (azote) [25]. Il a en fait été proposé d'utiliser des donneurs et accepteurs dans le diamant pour stabiliser l'état de charge NV [33]. La plupart de ces études ont été conduites dans le diamant massif et seulement un travail récent [34] a montré que la croissance de NDs à basse température permet une incorporation d'azote plus faible, et comme tel les NDs se comportent comme du diamant massif pur avec une forte commutation d'état de charge pour excitation laser rouge (ou bleu), tandis que la croissance à haute température incorporant plus d'impuretés d'azote supprime significativement cette conversion de charge.

Dans nos NDs, nous n'avons pas observé de conversion de charge NV^−/0 due à l'excitation par longueur d'onde laser, et nous attribuons l'état sombre en effet à l'état métastable comme fait précédemment [24], aussi en vue de la grande taille des NDs ici utilisés (~ 100 nm), sans clignotement dû aux états de charge de surface, en plus, plus important, de leur haute concentration en azote. Les NDs ici étudiés sont dérivés commercialement de microdiamants HPHT avec au moins une concentration inhomogène de 500 ppm en azote. L'état métastable dans Ref. [24] est aussi prouvé par sa durée de vie très longue de 150 s.

Les centres NV⁻ sont généralement mieux excités en utilisant 532 ou 561 nm car ils possèdent une ligne de phonon zéro à 637 nm [35], correspondant à la transition entre un état fondamental triplet et un état excité, predominantly une transition conservant le spin. De plus, un état métastable singulet existe [36] sur lequel le centre transite via décroissance non radiative. La durée de vie de transition optique des NV⁻ dans les NDs est d'environ 22 ns [37], plus longue comparée à celle dans le diamant massif de 12 ns [35].

Un faisceau d'excitation (sonde) à 594 nm promeut la transition de l'état fondamental vers l'état excité, tandis qu'un faisceau de déplétion à 638 nm abrite transitoirement l'électron des centres NV⁻ de l'état excité vers l'état métastable via croisement intersystème non radiatif (Fig. 1a). L'utilisation de 594 nm comme sonde est justifiée par son altération minimale de la population de l'état sombre comparé au vert (généralement 532 ou 561 nm) [24]. Cette méthode sature efficacement le croisement intersystème et vide l'état fondamental, empêchant l'excitation vers l'état excité des centres NV⁻ et l'émission subséquente de fluorescence, lorsqu'on sonde avec 594 nm. Finalement, un laser bleu à 488 nm repeuple l'état excité, inhibant la décroissance rapide (ns) subséquente vers l'état fondamental [38].

a Principe de la GSD dans les NV⁻ dans les NDs utilisant un faisceau de sonde à 594 nm (jaune), un faisceau de déplétion à 638 nm (rouge) et un faisceau de réinitialisation à 488 nm (bleu). GS état fondamental, ES état excité et MS état métastable du centre NV. Illustration d'un centre NV dans un nanodiamant. b Représentation schématique de la configuration expérimentale. Le système consiste en un microscope confocal maison avec trois lasers fonctionnant aux longueurs d'onde de 488 nm, 594 nm et 638 nm. Une plaque de phase vortex structure spatialement le faisceau de déplétion à 638 nm en un faisceau donut pour assurer la déplétion seulement autour de la zone limitée par la diffraction. c Caractérisation des modulateurs acousto-optiques en mesurant les temps d'arrivée des impulsions de chaque laser. d Schéma de la séquence d'impulsions utilisée en nanoscopie GSD. La fenêtre de détection est synchronisée avec le faisceau de sonde à 594 nm pour collecter seulement la fluorescence pertinente. La longueur d'impulsion du faisceau de sonde à 594 nm a été optimisée à 20 µs, car une longueur d'impulsion plus courte entraînerait des temps de moyennage plus longs et des longueurs d'impulsion plus longues mèneraient à une imagerie super-résolution moins efficace. Le faisceau de réinitialisation à 488 nm a été optimisé à 20 µs car il est préférable de l'avoir aussi court que possible pour réduire le temps global de la séquence d'impulsions mais vider encore efficacement l'état métastable à longue durée de vie

De manière similaire à STED, le faisceau de déplétion est structure spatialement en un faisceau donut dans le plan transverse afin d'atteindre l'imagerie super-résolution [24]. La résolution d de la nanoscopie GSD obéit à l'Éq. [23] :

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

avec NA désignant l'ouverture numérique de l'objectif, \(I_{{\text{s}}}\) l'intensité de saturation à laquelle la moitié de la fluorescence est déplétée et \(I_{{\text{D}}}^{\max }\) la valeur d'intensité maximale du pic bordant le zéro.

Nous avons mesuré une résolution d'imagerie de 36 nm pour un seul centre NV⁻ dans un ND selon l'intensité du faisceau de déplétion. De plus, deux centres NV⁻ séparés par 72 nm ont été résolus. Notre travail est prometteur pour la nanoscopie fluorescente au sein de cellules vivantes avec des NDs contenant des centres NV⁻ comme biomarqueurs.

Méthodes expérimentales

Pour cette expérience, une suspension de NDs haute pression haute température (HPHT) nominalement de 100 nm de taille [39, 40], nettoyés à l'acide et dilués dans une solution MilliQ, a été utilisée. Un volume de 20 µl de solution de NDs (1:200 dilué dans l'eau MilliQ) a été déposé sur une lamelle de borosilicate nettoyée par plasma d'oxygène et séchée à l'air [37]. La configuration expérimentale pour la nanoscopie GSD consistait en un microscope confocal maison avec deux lasers à diodes à onde continue aux longueurs d'onde de 488 nm et 638 nm et un laser hélium-néon (HeNe) à onde continue à une longueur d'onde de 594 nm. Dans chacun des chemins de faisceau, un modulateur acousto-optique (AOM) a été installé pour créer des impulsions optiques à partir des faisceaux lumineux continus et les synchroniser les uns par rapport aux autres. Après propagation à travers les AOMs, un filtre spatial a nettoyé les profils spatiaux des faisceaux. Une lentille secondaire a collimaté chaque faisceau pour une propagation ultérieure. D'abord, les faisceaux laser aux longueurs d'onde de 488 nm et 638 nm ont été superposés spatialement en utilisant un dichroïque laser à longue passe 532 nm (Semrock- LPD01 532R). Un second dichroïque (Semrock- R405/488/543/638) a superposé spatialement les trois faisceaux en reflétant les longueurs d'onde 488 nm et 638 nm et transmettant la longueur d'onde 594 nm. Le profil spatial du faisceau de déplétion à la longueur d'onde de 638 nm a été structure en un faisceau donut en utilisant une plaque de phase. De plus, une plaque d'onde quart a été placée avant l'objectif pour assurer la polarisation circulaire du faisceau de déplétion. Un objectif à immersion d'huile à haute ouverture numérique (NA = 1,4) a été utilisé pour imager les NDs. Un dichroïque (Semrock- LP02-671RU-25) a séparé la fluorescence des centres NV⁻ des longueurs d'onde d'excitation et l'a redirigée vers un détecteur à diode d'avalanche à photon unique (SPCM-AQRH-14FC) via une fibre monomode agissant comme un sténopé. La représentation schématique de la configuration optique est montrée en Fig. 1b.

Des nanoparticules d'or de taille moyenne de 40 nm ont été déposées sur une lamelle de verre et imager pour étudier le profil spatial du faisceau de déplétion. Une fonction de diffusion de point en forme de donut avec un anneau de haute intensité et un minimum local en son centre est observée (encart de Fig. 1b).

Nous avons d'abord étudié la réponse temporelle de chaque impulsion laser. Les AOMs sont contrôlés via LabVIEW en utilisant un générateur d'impulsions multicanal (PulseBlasterESR-PRO) qui contrôle les propriétés temporelles individuelles de chaque faisceau laser, ainsi que le timing entre les trois faisceaux. En raison de différentes longueurs de chemin optique pour chacun des lasers, des impulsions optiques générées au même moment ont un temps d'arrivée légèrement décalé au détecteur. Cela nous permet d'avoir un contrôle temporel sur les trois faisceaux laser à l'échelle sous-microseconde.

Un temps de montée et de descente de 60 ns a été mesuré pour les faisceaux d'excitation (Fig. 1c). Les impulsions optiques aux longueurs d'onde de 594 nm et 638 nm sont arrivées avec une séparation de 85 ns et 155 ns par rapport à l'impulsion à 488 nm. Chacune des impulsions laser génère de la fluorescence qui provient de plusieurs sources différentes, y compris le centre NV⁻, d'autres impuretés dans le ND et défauts dans la lamelle de verre. Seule la fluorescence générée par le faisceau d'excitation est pertinente pour l'imagerie GSD. La fluorescence des autres impulsions laser contribue au bruit de l'image de fluorescence. Pour cette raison, un gating temporel est introduit pour éliminer la fluorescence générée par les impulsions laser autres que le faisceau de sonde. Cela est réalisé en gating la détection avec le temps d'arrivée de l'impulsion du faisceau de sonde, filtrant efficacement les autres sources fluorescentes et augmentant le rapport signal/bruit de l'imagerie.

Une séquence d'impulsions typique pour la nanoscopie GSD et la fenêtre de détection est donnée en Fig. 1d. L'extinction de la fluorescence des centres NV⁻ a été réalisée en abritant les électrons dans l'état à longue durée de vie avec une impulsion de déplétion à la longueur d'onde de 638 nm. L'excitation des centres NV⁻ dans la région sous-diffraction a été fournie par une impulsion à la longueur d'onde de 594 nm, tandis qu'une impulsion à 488 nm réinitialisait les centres NV⁻ vers l'état excité. Une séquence d'impulsions a été répétée 500–1000 fois pour assurer un haut rapport signal/bruit. Les longueurs d'impulsion étaient dans la gamme 10–20 µs pour le faisceau de sonde (594 nm) et le faisceau de réinitialisation (488 nm). La longueur d'impulsion optimale du faisceau de déplétion a été trouvée à ~ 300 µs (Fig. 2d). L'optimisation de la durée des impulsions des faisceaux est basée sur Ref. [24] ; cependant, une optimisation plus systématique devrait être effectuée pour améliorer la résolution finale. Il est attendu que la résolution dépende de la durée d'impulsion du faisceau d'inhibition, qui est limitée par la durée de vie de l'état métastable.

a La fluorescence d'un seul centre NV⁻ basée sur l'excitation 488 nm et 638 nm. La fluorescence détectée augmente lorsque les deux lasers excitent simultanément le centre NV⁻. b Dépendance de la fluorescence à la puissance de déplétion. Une illustration de la séquence d'impulsions est montrée dans l'encart. La fluorescence est détectée seulement lorsque le laser de sonde à 594 nm est allumé. c Courbe d'anti-amassage du centre NV⁻ montrant une fonction de corrélation du second ordre < 0,5 à temps de délai zéro

Résultats et Discussion

Le mécanisme de commutation on/off a été étudié en excitant un centre NV⁻ sous les sources laser aux longueurs d'onde de 638 nm et 488 nm (Fig. 2a). Une augmentation de l'émission de fluorescence des centres NV⁻ a été détectée seulement lorsque les deux faisceaux étaient superposés spatialement. Ce comportement d'émission était compris, en assumant que le faisceau à 638 nm abritait préférentiellement les électrons dans l'état à longue durée de vie, tandis que le faisceau à 488 nm permettait l'émission spontanée (Fig. 1a). Nous assumions une durée de vie pour l'état à longue durée de vie des centres NV⁻ plus courte (la seule mesure pour les NDs est 33–127 ns de ref.[38], tandis que la transition d'état singulet est 300 ns [41]) que la durée de vie de l'état métastable dans le diamant massif (mesurée 150 s) [24] et bien plus longue que la durée de vie de l'état excité [37].

Un seul centre NV⁻ a été sélectionné en utilisant l'anti-amassage (Fig. 2c) pour étudier la puissance requise pour le faisceau de déplétion pour éteindre efficacement la fluorescence dans la forme donut [42]. Un faisceau à 594 nm a été ajouté pour sonder si le seul centre NV⁻ était dans son état on ou off. La Figure 2b montre la dépendance de la fluorescence du centre NV⁻ sélectionné à l'intensité du faisceau de déplétion. Un déclin rapide de la fluorescence a été observé. À une puissance de déplétion de 151,2 µW, le centre NV⁻ était efficacement éteint.

Ici, pour la première fois à notre connaissance, nous démontrons la nanoscopie GSD appliquée aux NDs pour l'imagerie super-résolution de centres NV⁻ uniques.

Pour atteindre la super-résolution via GSD, tous les émetteurs couverts par un faisceau d'excitation focalisé sont transitoirement éteints, sauf dans une région de taille sous-diffraction, en raison du chevauchement du faisceau de déplétion en forme de donut transférant le centre vers son état sombre à longue durée de vie. La résolution obtenue peut être quantifiée par le profil dans le plan focal où les centres sont « on » et elle échelle selon l'Éq. (1), où \(I_{s}\) échelle inversement avec la durée de vie des états impliqués et avec la section efficace d'inhibition de la transition optique d'extinction [43, 44].

La Figure 3a montre une image de fluorescence super-résolue d'un seul centre NV⁻ dans un ND (Fig. 2c). La largeur à mi-hauteur (FWHM) est de 57 nm en direction x et 42 nm en direction y (Fig. 3c).

a Image de fluorescence d'un centre NV⁻ super-résolu basé sur la nanoscopie GSD. Temps de séjour 10 ms et taille de pixel 2 nm. b Résolution transverse en fonction de la puissance de déplétion. La discrépance entre expérience et théorie est most likely due aux imperfections dans le matériau hôte et aux changements dans l'environnement local des NDs comparé au diamant massif. La théorie est basée sur les centres NV dans le diamant massif. c Profils de coupe d'image le long de l'axe x et de l'axe y avec une résolution FWHM de 57 nm et 42 nm, respectivement. La ligne continue représente le meilleur ajustement

La relation entre la puissance de déplétion et la résolution est montrée en Fig. 3b. La courbe théorique est basée sur l'Éq. (1). La puissance additionnelle requise pour supprimer la fluorescence du centre NV⁻ pour les données expérimentales a été attribuée à l'environnement local dans l'hôte ND et une durée de vie d'état métastable plus courte [38] comparée au massif. Il est noté que la résolution maximale de 42 nm est atteinte à 2,2 mW, tandis que dans Ref. [24], une résolution de 12 nm était atteinte avec 16 mW, correspondant à une intensité de crête de 12 MW/cm² pour le faisceau de déplétion.

De plus, nous avons appliqué la nanoscopie GSD pour démontrer l'imagerie à l'échelle nanométrique de deux centres NV⁻ étroitement espacés. La Figure 4a montre une image confocale de centres NV⁻. Sous nanoscopie GSD, deux centres NV⁻ uniques sont imager avec une résolution nanométrique (Fig. 4b). La distance centre-à-centre entre les deux centres NV⁻ est de 72 nm (Fig. 4c). Le FWHM pour les deux centres NV⁻ résolus dans la direction y est de 36 nm (Fig. 4d) et 38 nm, respectivement (Fig. 4e). Nous avons attribué le désalignement entre l'axe majeur du ND et les centres NV⁻ résolus à une dérive mécanique pendant le balayage de l'image confocale.

a Carte de fluorescence confocale de 500 × 500 nm (temps de séjour 2 ms et taille de pixel 1 nm) et b image super-résolue 300 × 300 nm du carré blanc en (temps de séjour 24 ms et taille de pixel 1 nm) b de deux centres NV⁻. Le spot confocal individuel est super-résolu en deux spots de fluorescence séparés et faibles. c Coupe transversale le long de l'axe X montrant la séparation de 72 nm entre les deux pics correspondant aux emplacements de la distance centre-à-centre des deux centres NV. d Coupes transversales le long de l'axe Y avec une résolution FWHM mesurée de 36 nm et 38 nm, correspondant aux NV⁻ 1 et NV⁻ 2 en b, respectivement

Conclusions

Dans ce travail, nous avons implémenté la nanoscopie GSD en utilisant l'état métastable du centre NV⁻ dans les nanodiamants, montrant l'imagerie super-résolue des centres NV⁻. Un seul centre NV⁻ avec un FWHM de 36 nm est résolu. L'échelle de la résolution par rapport à l'intensité du faisceau de déplétion est aussi montrée, et la super-résolution maximale est atteinte avec 2,2 mW de puissance de déplétion. De plus, deux centres NV⁻ séparés par 72 nm ont été résolus. Ce résultat ouvre la possibilité d'étudier le couplage dipolaire entre centres NV⁻ étroitement espacés [45], la capacité pour la détection quantique à haute résolution spatiale basée sur les propriétés de spin des NV⁻ [6, 18, 46,47,48] ainsi que d'autres applications de détection multifonctionnelles basées sur le diamant massif [49] étendues aux NDs [50].

Dans cet article, nous avons aussi montré que la concentration en azote dans le diamant est à la base des mécanismes GSD et CSD pour la super-résolution, qui sont atteints dans le diamant hautement et faiblement dopé en azote, respectivement. En tant que tel, des NDs conçus pour la méthode spécifique devraient suivre. Il est compris que CSD peut être plus facilement appliqué à la détection de spin en raison de la faible concentration en azote ; cependant, l'état de charge NV⁰ limiterait les propriétés de détection quantique de CSD, tandis que la stabilisation de l'état de charge des NV⁻ en utilisant d'autres donneurs que l'azote pourrait apporter une sensibilité bien plus élevée de la GSD appliquée à la détection quantique de spin.

La nanoscopie GSD des centres NV⁻ dans les NDs utilise une faible puissance (~ 300 µW) pour les intensités optiques comparée au diamant massif, et elle est plus adaptée pour les échantillons biologiques. La résolution GSD peut être améliorée en déterminant le dopage azote optimal [34], en étudiant l'effet de la passivation de surface et d'autres impuretés sur la durée de vie de l'état métastable des NV⁻ dans les NDs et en concevant des NDs avec moins d'impuretés photoluminescentes.

En ce qui concerne la détection de spin, la haute concentration en azote dans les NDs commerciaux actuels dérivés de HPHT et de microdiamants à haute teneur en azote limite la sensibilité de spin selon le contraste de résonance magnétique détectée optiquement réduit [34]. En tant que tel, d'autres dopants devraient être considérés pour stabiliser l'état de charge des NV⁻ sans introduire de décohérence [50, 51].

Enfin, combiner cette méthode avec l'excitation micro-ondes [18, 52,53,54], elle pourrait fournir une approche alternative pour l'imagerie magnétique optique super-résolue en sciences de la vie si les propriétés matérielles des NDs actuels pouvaient être mieux conçues pour cette application.

Disponibilité des données et matériaux

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés pendant l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

NDs :

Nanodiamants

NV :

Azote-vacance

STED :

Déplétion d'émission stimulée

GSD :

Déplétion d'état fondamental

CSD :

Déplétion d'état de charge

FWHM :

Largeur à mi-hauteur

HPHT :

Haute pression et haute température

AOM :

Modulateur acousto-optique