DE102019119213A1 - Devices and methods for microscopy for three-dimensional super resolution - Google Patents

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Abstract

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, Vorrichtungen und Verfahren zur Mikroskopie zu verbessern und deren Handhabung zu erleichtern.Hierfür wird in einem Verfahren ein Abbild eines Testobjekts superauflösend basierend auf einer Fluoreszenz von einer Vielzahl ein NV-Zentren, die das Testobjekt aufweist, rekonstruiert. Dabei wird ein Raumbereich mit dem Testobjekt mit einem Anregungslicht für die NV-Zentren und mit einer Mikrowellenstrahlung bestrahlt, deren Frequenz jener Frequenz entspricht, bei welcher eine resonante Mikrowellenabsorption auftritt. Raumabschnitte des Raumbereichs werden mit einer Auflösung jenseits eines Abbe-Limits abgerastert, wobei je Raumabschnitt der Raumabschnitte die Mikrowellenstrahlung zum Bestrahlen so erzeugt, dass diese einen Mikrowellenfeldverlauf aufweist, lokal im jeweiligen Raumabschnitt verschwindet und eine jeweilige Raumausdehnung des Verschwindens der Mikrowellenstrahlung bei dem jeweiligen Raumabschnitt zumindest in einer Dimension begrenzt ist auf eine Ausdehnung, welche kleiner als das Abbe-Limit ist. Außerdem wird beim Abrastern je Raumabschnitt der Raumabschnitte ein Licht im jeweiligen Raumabschnitt zumindest in einem Spektralbereich optisch erfasst, welcher dem Emissionslicht der NV-Zentren entspricht. Schließlich wird das Abbild des Testobjekts basierend auf dem in den jeweiligen Raumabschnitten erfassten Licht rekonstruiert.One object of the invention is to improve devices and methods for microscopy and to facilitate their handling. For this purpose, in a method, an image of a test object is reconstructed in super-resolution based on fluorescence from a plurality of NV centers which the test object has. A spatial area with the test object is irradiated with an excitation light for the NV centers and with microwave radiation, the frequency of which corresponds to the frequency at which resonant microwave absorption occurs. Spatial sections of the spatial area are scanned with a resolution beyond an Abbe limit, with each spatial segment of the spatial segment generating the microwave radiation for irradiation in such a way that it has a microwave field course, disappears locally in the respective spatial segment and a respective spatial extent of the disappearance of the microwave radiation in the respective spatial segment at least is limited in one dimension to an extent which is smaller than the Abbe limit. In addition, when scanning for each spatial segment of the spatial segments, a light in the respective spatial segment is optically detected at least in a spectral range which corresponds to the emission light of the NV centers. Finally, the image of the test object is reconstructed based on the light captured in the respective space sections.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Mikroskopie sowie der optischen Positionsbestimmung und betrifft insbesondere ein Verfahren zur superauflösenden Mikroskopie, ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums, ein Verfahren zur Mikroskopie basierend auf einer Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen, ein Mikroskop sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums von einem mesoskopischen Festkörperelement.The invention is in the field of microscopy and optical position determination and relates in particular to a method for super-resolution microscopy, a method for determining a position of an NV center, a method for microscopy based on a large number of mesoscopic solid-state elements, a microscope and a device for Determination of a position of an NV center of a solid-state mesoscopic element.

In der Mikroskopie von biologischen Materialien werden üblicherweise konventionelle Fluoreszenzstoffe oder Fluorophore zum Anfärben - also etwa Moleküle, die bei einer bestimmten Anregung optisch fluoreszieren - eingesetzt. Dabei lassen sich bei einem spezifischen Anfärben bestimmte Teile des biologischen Materials, etwa bestimmte Bereiche oder Organellen von biologischen Zellen, mit dem Fluoreszenzstoff versehen - dieser bindet also etwa an solche bestimmte Teile. Jene Teile, an welche der Fluoreszenzstoff gebunden ist, sind dann gegenüber anderen Teilen des biologischen Materials bei entsprechender Anregung aufgrund der Fluoreszenz hervorgehoben oder kenntlich gemacht. Auch lassen sich durch Anfärben - und somit insbesondere farblich hervorheben - von bestimmten Teilen des biologischen Materials die jeweiligen Positionen dieser bestimmten Teile basierend auf einer Erfassung eines Lichts, welches der Anfärbung entspricht, bestimmen oder im zeitlichen Verlauf verfolgen.In the microscopy of biological materials, conventional fluorescent substances or fluorophores are usually used for staining - for example, molecules that optically fluoresce when excited. With a specific staining process, certain parts of the biological material, such as certain areas or organelles of biological cells, can be provided with the fluorescent substance - the fluorescent substance binds to such certain parts. Those parts to which the fluorescent substance is bound are then highlighted or identified in relation to other parts of the biological material when appropriately excited due to the fluorescence. By staining - and thus in particular highlighting in color - certain parts of the biological material can also be used to determine the respective positions of these certain parts based on a detection of a light that corresponds to the staining or to track them over time.

Neben konventionellen Fluoreszenzstoffen wie bei Anregung fluoreszierenden Molekülen, könnten auch mesoskopische Festkörperelemente mit wenigstens einem Farbzentrum etwa zur Anfärbung dienen.In addition to conventional fluorescent substances such as fluorescent molecules when excited, mesoscopic solid-state elements with at least one color center could also be used, for example, for coloring.

Nanodiamanten (oder allgemeiner mesoskopischen Festkörperelemente) mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren als Farbzentren weisen bei optischer Anregung eine hohe Helligkeit, d. h. insbesondere eine hohe Lichtemission, sowie Photostabilität, d. h. insbesondere ein geringes Ausbleichen, auf. Zudem ist ein von einem solchen Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum emittiertes Emissionslicht abhängig von einem dort wirksamen Magnetfeld sowie von weiteren Einflussfaktoren wie etwa einer Mikrowellenstrahlung. Außerdem sind Nanodiamanten biokompatibel.Nanodiamonds (or, more generally, mesoscopic solid-state elements) with nitrogen-vacancy centers as color centers have a high brightness when optically stimulated. H. especially high light emission and photostability, d. H. especially a slight fading. In addition, an emission light emitted by such a nitrogen defect center is dependent on a magnetic field effective there and on further influencing factors such as microwave radiation. In addition, nanodiamonds are biocompatible.

So lässt sich eine Fluoreszenz oder Phosphoreszenz (oder allgemeiner Lumineszenz, fortan zusammenfassend kurz als „Fluoreszenz“ bezeichnet und entsprechend Fluoreszenzstoff bzw. Fluorophor) von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren oder allgemeiner von NV-Zentren - etwa bei Anwendungen wie der Bestimmung eines Magnetfelds oder bei der Quantenkryptographie oder für Quantencomputer-Systeme - abhängig vom dort wirksamen Magnetfeld und etwaigen weiteren Einflussgrößen steuern. So könnte etwa ein solches Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum als Emitter in einer festkörper-basierten Einzelphotonenquelle bei Raumtemperatur dienen. Etwa aufgrund der steuerbaren Fluoreszenz, einer hohen erzielbaren Empfindlichkeit und/oder eines großen erzielbaren Bereichs, über welchen eine Intensität des Emissionslichts von dem Magnetfeld sowie der Mikrowellenstrahlung abhängt, werden solche Stickstoff-Fehlstellen-Zentren auch für verschiedene kommerzielle Felder wie etwa zur Untersuchung von elektrischen Schaltkreisen oder für einen optisch integrierten Biosensor basierend auf einer optisch detektierten (Mikrowellen-) Resonanz eines Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums eingesetzt. So wird etwa ein solcher optisch integrierter Biosensor in der Patentschrift US 8,193,808 B2 beschrieben.Fluorescence or phosphorescence (or general luminescence, henceforth briefly referred to as “fluorescence” and correspondingly fluorescent substance or fluorophore) from nitrogen vacancy centers or more generally from NV centers - for example in applications such as the determination of a magnetic field or in quantum cryptography or for quantum computer systems - depending on the magnetic field effective there and any other influencing variables. For example, such a nitrogen vacancy center could serve as an emitter in a solid-state-based single photon source at room temperature. For example, due to the controllable fluorescence, a high achievable sensitivity and / or a large achievable range over which the intensity of the emission light depends on the magnetic field and the microwave radiation, such nitrogen vacancy centers are also used for various commercial fields such as for the investigation of electrical Circuits or for an optically integrated biosensor based on an optically detected (microwave) resonance of a nitrogen vacancy center. Such an optically integrated biosensor is described in the patent US 8,193,808 B2 described.

Auch wurden hierzu Techniken entwickelt, um eine Position sowie etwaig Eigenschaften von einem Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in einem Diamanten superauflösend zu bestimmen. Dabei handelt es sich üblicherweise um Adaptionen von bekannten Techniken für eine superauflösenden Mikroskopie wie etwa STED (STimulated Emission Depletion), welche eine hohe Lichtdosis erfordern, oder um Techniken für Diamanten im Allgemeinen, d. h. insbesondere für makroskopische Diamanten, welche sich kontrolliert ausrichten lassen, wobei die (relative) Position von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in einem solchen Diamant basierend darauf bestimmt wird, dass das von dem Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum emittierte Licht nicht nur von der Stärke und/oder Frequenz des Magnetfelds bzw. der Mikrowellenstrahlung abhängt, sondern auch von der relativen Orientierung des Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums zum Magnetfeldverlauf des Magnetfelds.Techniques have also been developed for this purpose in order to determine a position and any properties of a nitrogen vacancy center in a diamond with super resolution. These are usually adaptations of known techniques for super-resolution microscopy such as STED (STimulated Emission Depletion), which require a high dose of light, or techniques for diamonds in general, i. H. in particular for macroscopic diamonds, which can be aligned in a controlled manner, the (relative) position of nitrogen vacancy centers in such a diamond is determined based on the fact that the light emitted by the nitrogen vacancy center is not only dependent on the strength and / or frequency of the magnetic field or the microwave radiation, but also on the relative orientation of the nitrogen vacancy center to the magnetic field profile of the magnetic field.

Während Nanodiamanten mit einem Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum - etwa aufgrund ihrer BioKompatibilität und Fluoreszenzeigenschaften wie hohe Helligkeit und hohe Photostabilität - eine Ergänzung oder ein Ersatz für konventionelle Fluorophore oder Fluoreszenzstoffe Anwendung bei der Mikroskopie, insbesondere von biologischem Material, etwa zum Anfärben finden könnten, lassen sich solche Nanodiamanten üblicherweise und insbesondere in einem biologischen Material nicht kontrolliert ausrichten. Vielmehr können solche Nanodiamanten üblicherweise in einem biologischen Material rotieren und/oder ihre Orientierung ändern.While nanodiamonds with a nitrogen void center - due to their bio-compatibility and fluorescent properties such as high brightness and high photostability - could be used as a supplement or a replacement for conventional fluorophores or fluorescent substances in microscopy, especially of biological material, for example for staining Such nanodiamonds usually and especially in a biological material do not align in a controlled manner. Rather, such nanodiamonds can usually rotate in a biological material and / or change their orientation.

Es besteht Bedarf, fluoreszenzbasierte Vorrichtungen und Verfahren zur Mikroskopie und Positionsbestimmung - wie etwa bei der Mikroskopie eines mittels eines Fluoreszenzstoffs angefärbten biologischen Materials - zu verbessern sowie insbesondere die Auflösung davon - etwa die optische Auflösung bei der Mikroskopie - zu erhöhen und/oder Fluoreszenzstoffe zu ermöglichen oder zu ersetzen, sodass sich eine Biokompatibilität, Verlässlichkeit und/oder Effizienz steigern lässt.There is a need to improve fluorescence-based devices and methods for microscopy and position determination - such as in the microscopy of a biological material stained by means of a fluorescent substance - and in particular to increase and / or increase the resolution thereof - for example the optical resolution in microscopy To enable or replace fluorescent substances so that biocompatibility, reliability and / or efficiency can be increased.

Die Erfindung erfüllt diesen Bedarf jeweils durch ein Verfahren zur superauflösenden Mikroskopie von einem Testobjekt, durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums von einem mesoskopischen Festkörperelement innerhalb eines Raumbereichs, durch ein Verfahren zur Mikroskopie basierend auf einer Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen, durch ein Mikroskop sowie durch eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums von einem mesoskopischen Festkörperelement innerhalb eines Raumbereichs jeweils gemäß der Lehre einer der Hauptansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen, Weiterbildungen und Varianten der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Gegenstand der Unteransprüche.The invention fulfills this need in each case by a method for super-resolution microscopy of a test object, by a method for determining a position of a NV center of a mesoscopic solid-state element within a spatial region, by a method for microscopy based on a plurality of mesoscopic solid-state elements, by a Microscope and a device for determining a position of a NV center of a mesoscopic solid-state element within a spatial area, each according to the teaching of one of the main claims. Advantageous embodiments, developments and variants of the present invention are in particular the subject of the subclaims.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur superauflösenden Mikroskopie von einem Testobjekt. Dabei weist das Testobjekt eine Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen auf, welche jeweils wenigstens ein NV-Zentrum aufweisen. Zudem ist das Testobjekt innerhalb eines Raumbereichs angeordnet. Das Verfahren weist ein Bestrahlen des Raumbereichs mit einem Anregungslicht für die NV-Zentren der Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen auf. Das Verfahren weist weiterhin ein Bestrahlen des Raumbereichs mit einer Mikrowellenstrahlung auf, deren Frequenz jener Frequenz entspricht, bei welcher eine resonante Mikrowellenabsorption ohne lokalem Magnetfeld bei den NV-Zentren auftritt. Das Verfahren weist weiterhin ein Abrastern von Raumabschnitten des Raumbereichs mit einer Auflösung jenseits eines Abbe-Limits für ein Emissionslicht auf, welches von den NV-Zentren - insbesondere bei optischer Anregung durch das Anregungslicht - emittierbar ist. Beim Abrastern wird je Raumabschnitt der Raumabschnitte ein Magnetfeld über den Raumbereich erzeugt mit einem Magnetfeldverlauf, sodass das Magnetfeld lokal im jeweiligen Raumabschnitt verschwindet und eine jeweilige Raumausdehnung des Verschwindens des Magnetfelds bei dem jeweiligen Raumabschnitt zumindest in einer Dimension begrenzt ist auf eine Ausdehnung, welche kleiner als das Abbe-Limit ist. Alternativ zum Erzeugen des Magnetfelds oder in Kombination damit wird beim Abrastern je Raumabschnitt der Raumabschnitte die Mikrowellenstrahlung zum Bestrahlen so erzeugt, dass diese einen Mikrowellenfeldverlauf aufweist, lokal im jeweiligen Raumabschnitt verschwindet und eine jeweilige Raumausdehnung des Verschwindens der Mikrowellenstrahlung bei dem jeweiligen Raumabschnitt zumindest in einer Dimension begrenzt ist auf eine Ausdehnung, welche kleiner als das Abbe-Limit ist. Außerdem wird beim Abrastern je Raumabschnitt der Raumabschnitte ein Licht im jeweiligen Raumabschnitt zumindest in einem Spektralbereich optisch erfasst, welcher dem Emissionslicht entspricht. Schließlich weist das Verfahren weiterhin ein Rekonstruieren eines Abbildes des Testobjekts basierend auf den Raumabschnitten und dem in den jeweiligen Raumabschnitten erfassten Licht auf, wobei in einigen Varianten das Rekonstruieren bezüglich der Raumabschnitte zumindest auf einer bekannten Form sowie einer bekannten Anordnung der Raumabschnitte - zumindest relativ zueinander - basiert.A first aspect of the invention relates to a method for super-resolution microscopy of a test object. The test object has a multiplicity of mesoscopic solid-state elements, each of which has at least one NV center. In addition, the test object is arranged within a spatial area. The method comprises irradiating the spatial region with an excitation light for the NV centers of the plurality of mesoscopic solid-state elements. The method further comprises irradiating the spatial region with microwave radiation, the frequency of which corresponds to the frequency at which resonant microwave absorption occurs without a local magnetic field at the NV centers. The method furthermore includes a scanning of spatial sections of the spatial area with a resolution beyond an Abbe limit for an emission light which can be emitted by the NV centers - in particular when optically excited by the excitation light. When scanning, a magnetic field is generated over the spatial area with a magnetic field curve for each spatial segment of the spatial segment, so that the magnetic field disappears locally in the respective spatial segment and a respective spatial extent of the disappearance of the magnetic field in the respective spatial segment is limited at least in one dimension to an extent that is smaller than the Abbe limit is. As an alternative to generating the magnetic field or in combination with it, when scanning each space of the space, the microwave radiation for irradiation is generated in such a way that it has a microwave field course, disappears locally in the respective space and a respective spatial extent of the disappearance of the microwave radiation in the respective space in at least one dimension is limited to an extent which is smaller than the Abbe limit. In addition, when scanning for each spatial segment of the spatial segments, a light in the respective spatial segment is optically detected at least in a spectral range which corresponds to the emission light. Finally, the method also has a reconstruction of an image of the test object based on the space sections and the light captured in the respective space sections, wherein in some variants the reconstruction with respect to the space sections at least on a known form and a known arrangement of the space sections - at least relative to one another - based.

Im Sinne der Offenbarung ist unter „superauflösender Mikroskopie“ zumindest eine Mikroskopie mit einer Auflösung jenseits eines Abbe-Limits eines zur Mikroskopie verwendeten Lichts zu verstehen. Dabei kann die Auflösung - etwa bei Verwendung von Licht um sichtbaren Spektrum - höher als 500 nm sein, also etwa 300 nm, 150 nm, 100 nm oder 50 nm sein. Bei einer dreidimensionalen Mikroskopie kann sich die Auflösung für eine Auflösung in einer Fokalebene des Mikroskops und einer Auflösung bezüglich einer Achse durch die Fokalebene - also etwa für eine dreidimensionale Abbildung, welche aus mehreren zweidimensionalen Abbildungen aus mehreren Fokalebenen zusammengesetzt ist - unterscheiden. Entsprechend ist unter „superauflösend“ eine räumliche Präzision oder Genauigkeit mit einer solchen Auflösung zu verstehen. Zur superauflösenden Mikroskopie siehe etwa „Super-resolution microscopy“ bei https://en.wikipedia.org/wiki/Super-resolution_microscopy (etwa Version mit Stand vom 28. Juni 2019 bei https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Super-resolution_ microscopy&oldid=903884823).In the sense of the disclosure, “super-resolution microscopy” is to be understood as at least a microscopy with a resolution beyond an Abbe limit of a light used for microscopy. The resolution - for example when using light around the visible spectrum - can be higher than 500 nm, i.e. about 300 nm, 150 nm, 100 nm or 50 nm. In three-dimensional microscopy, the resolution for a resolution in a focal plane of the microscope and a resolution with respect to an axis through the focal plane - for example, for a three-dimensional image which is composed of several two-dimensional images from several focal planes - differ. Accordingly, “super-resolution” is to be understood as a spatial precision or accuracy with such a resolution. For super-resolution microscopy, see for example "Super-resolution microscopy" at https://en.wikipedia.org/wiki/Super-resolution_microscopy (for example, version dated June 28, 2019 at https://en.wikipedia.org/w/ index.php?title=Super-resolution_ microscopy&oldid=903884823).

Im Sinne der Offenbarung ist unter einem „NV-Zentrum“ zumindest ein Farbzentrum zu verstehen, wobei das Farbzentrum abhängig von einem dort wirksamen Magnetfeld mittels eines Anregungslichts optisch anregbar ist und Emissionslicht vom angeregten Farbzentrum emittierbar ist. Ein solches Farbzentrum kann ein Defekt in einer Matrixstruktur, insbesondere in einem (etwaig kristallinen) Festkörper sein. Auch kann eine Intensität des Emissionslichts abhängig von einer resonanten Mikrowellenabsorption sein, wobei die resonante Mikrowellenabsorption von dem Magnetfeld beim Farbzentrum abhängig ist. Auch kann ein solches NV-Zentrum ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum in einem Diamantgitter, etwa ein sogenanntes [NV]--Zentrum sein, welches Gegenstand aktueller Forschung ist. Bei einem solchen [NV]--Zentrum wird derzeit in einem Modell von einem Mehrelektronensystem ausgegangen, welches als ein 3-Niveau-System mit einem Triplett-Grundzustand und einem angeregten Triplett-Zustand sowie wenigstens einem energetisch zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Zustand liegenden Zwischenzustand - insbesondere einem Singulett-Zustand - (oder etwa zwei Zwischenzustände gemäß Doherty, Marcus W.; Manson, Neil B.; Delaney, Paul; Jelezko, Fedor; Wrachtrup, Jörg; Hollenberg, Lloyd C. L. (2013-07-01). „The nitrogen-vacancy colour centre in diamond“. Physics Reports. The nitrogen-vacancy colour centre in diamond. 528 (1): 1-45) beschrieben wird. Auch lässt sich bei einem solchen [NV]--Zentrum eine Elektronenspinresonanz anregen zwischen mehreren energetisch unterschiedlichen Zuständen im Triplett-Grundzustand, welche sich aufgrund einer Spin-Wechselwirkung sowie eines etwaig beim NV-Zentrum wirkenden Magnetfelds energetisch unterscheiden. Zum Anregen der Elektronenspinresonanz lässt sich Mikrowellenstrahlung geeigneter Frequenz verwenden, sodass mittels einer Energie aus der Mikrowellenstrahlung das Elektronensystem von einem energetisch niedrigeren Zustand des Triplett-Grundzustands in einen energetisch höheren Zustand des Triplett-Grundzustands angehoben wird.In the sense of the disclosure, an “NV center” is to be understood as at least one color center, the color center being optically excitable by means of an excitation light as a function of a magnetic field effective there, and emission light being emitted from the excited color center. Such a color center can be a defect in a matrix structure, in particular in a (possibly crystalline) solid. An intensity of the emission light can also be dependent on a resonant microwave absorption, the resonant microwave absorption being dependent on the magnetic field at the color center. Such a NV center can also be a nitrogen vacancy center in a diamond lattice, for example a so-called [NV] - center, which is the subject of current research. For such a [NV] - center, a model is currently based on a multi-electron system, which is a 3-level system with a triplet ground state and an excited triplet state and at least one energetically between the ground state and the excited state Intermediate state - in particular a singlet state - (or approximately two intermediate states according to Doherty, Marcus W .; Manson, Neil B .; Delaney, Paul; Jeletsko, Fedor; Wrachtrup, Jörg; Hollenberg, Lloyd CL (2013-07-01). "The nitrogen-vacancy color center in diamond". Physics Reports. The nitrogen-vacancy color center in diamond. 528 (1): 1-45) is described. In such a [NV] - center, an electron spin resonance can also be excited between several energetically different states in the triplet ground state, which differ energetically due to a spin interaction and a magnetic field possibly acting at the NV center. Microwave radiation of a suitable frequency can be used to excite the electron spin resonance, so that the electron system is raised from an energetically lower state of the triplet ground state to an energetically higher state of the triplet ground state by means of energy from the microwave radiation.

Im Sinne der Offenbarung ist unter einem „mesoskopischen Festkörperelement“ zumindest ein Objekt aus einem Festkörpermaterial zu verstehen, welches eine räumliche Ausdehnung - also etwa einen maximalen Durchmesser - unter 1 µm aufweist. Auch kann die räumliche Ausdehnung größer als etwa 1 nm sein. Ein solches mesoskopisches Festkörperelement kann eine Matrixstruktur aus Atomen oder Molekülen, also etwa ein kristalliner Festkörper sein. Bei einem NV-Zentrum von einem mesoskopischen Festkörperelement weist das mesoskopische Festkörperelement etwa wenigstens dieses NV-Zentrum auf oder bildet es aus. Dabei kann das NV-Zentrum ein Defekt in einer Matrixstruktur des mesoskopischen Festkörperelements sein. Auch kann das mesoskopische Festkörperelement weitere NV-Zentren aufweisen. Ein solches mesoskopisches Festkörperelement kann etwa ein Nanodiamant sein oder umfassen. Dabei kann ein solcher Nanodiamant als NV-Zentrum ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, also etwa ein [NV]--Zentrum oder ein [NV]0-Zentrum aufweisen. Auch kann ein solcher Nanodiamant als NV-Zentrum ein ST1- oder „Stuttgart 1“-Farbzentrum aufweisen. Auch kann (allgemeiner) eine mesoskopische Diamantmatrix ein solches mesoskopisches Festkörperelement sein und als NV-Zentrum ein Farbzentrum in der Diamantmatrix aufweisen. Auch kann ein solches mesoskopisches Festkörperelement etwa aus 4H-SiC hergestellt sein und etwa eine Festkörpermatrix, insbesondere ein Kristallgitter, aus 4H-SiC aufweisen. Dabei kann ein solches mesoskopisches Festkörperelement aus 4H-SiC als NV-Zentrum ein Farbzentrum wie etwa eine sogenannte „VcVsi DiVacancy“ oder eine sogenannte „NV Nitrogene Vacancy“ oder eine sogenannte „hexagonal lattice site silicon vacancy (VSi)“ (siehe etwa NATURE COMMUNICATIONS | (2019) 10:1954 | https://doi.org/10.1038/s41467-019-09873 | High-fidelity spin and optical control of single silicon-vacancy centres in silicon carbide), insbesondere im Kristallgitter, aufweisen.In the sense of the disclosure, a “mesoscopic solid-state element” is to be understood as at least an object made of a solid-state material which has a spatial extent - that is, for example, a maximum diameter - of less than 1 μm. The spatial extent can also be greater than approximately 1 nm. Such a mesoscopic solid-state element can be a matrix structure made up of atoms or molecules, for example a crystalline solid. In the case of an NV center of a mesoscopic solid-state element, the mesoscopic solid-state element has, for example, at least this NV center or forms it. The NV center can be a defect in a matrix structure of the mesoscopic solid-state element. The mesoscopic solid-state element can also have further NV centers. Such a mesoscopic solid-state element can be or comprise a nanodiamond, for example. Such a nanodiamond can have a nitrogen vacancy center as the NV center, that is to say for example an [NV] - center or an [NV] 0 center. Such a nanodiamond can also have an ST1 or “Stuttgart 1” color center as the NV center. A mesoscopic diamond matrix can also (more generally) be such a mesoscopic solid-state element and have a color center in the diamond matrix as the NV center. Such a mesoscopic solid-state element can also be made from 4H-SiC and have a solid-state matrix, in particular a crystal lattice, made from 4H-SiC. Such a mesoscopic solid-state element made of 4H-SiC can be a color center as a NV center such as a so-called "VcVsi DiVacancy" or a so-called "NV Nitrogene Vacancy" or a so-called "hexagonal lattice site silicon vacancy (V Si )" (see for example NATURE COMMUNICATIONS | (2019) 10: 1954 | https://doi.org/10.1038/s41467-019-09873 | High-fidelity spin and optical control of single silicon-vacancy centers in silicon carbide), especially in the crystal lattice.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums von einem mesoskopischen Festkörperelement innerhalb eines Raumbereichs. Das Verfahren weist ein Bestrahlen des Raumbereichs mit einem Anregungslicht für das NV-Zentrum auf. Das Verfahren weist weiterhin ein Bestrahlen des Raumbereichs mit einer Mikrowellenstrahlung, deren Frequenz jener Frequenz entspricht, bei welcher eine resonante Mikrowellenabsorption ohne lokalem Magnetfeld beim NV-Zentrum auftritt, auf. Das Verfahren weist weiterhin ein Abrastern von Raumabschnitten des Raumbereichs auf, wobei je Raumabschnitt der Raumabschnitte entweder ein Magnetfeld über den Raumbereich erzeugt wird mit einem Magnetfeldverlauf, sodass das Magnetfeld lokal im jeweiligen Raumabschnitt verschwindet, oder die Mikrowellenstrahlung zum Bestrahlen so erzeugt wird, dass diese einen Mikrowellenfeldverlauf aufweist und lokal im jeweiligen Raumabschnitt verschwindet, oder sowohl ein Magnetfeld und eine Mikrowellenstrahlung derart erzeugt wird, dass wenigstens das Magnetfeld oder die Mikrowellenstrahlung lokal im jeweiligen Raumabschnitt verschwindet und etwaig das jeweils andere im jeweiligen lokalen Raumabschnitt entweder ebenfalls verschwindet oder nicht verschwindet, und wobei je Raumabschnitt der Raumabschnitte ein Licht im jeweiligen Raumabschnitt zumindest in einem Spektralbereich optisch erfasst wird, welcher einem vom NV-Zentrum emittierten Emissionslicht entspricht. Außerdem weist das Verfahren ein Bestimmen der Position des NV-Zentrums basierend auf dem erfassten Licht in den jeweiligen Raumabschnitten auf.A second aspect of the invention relates to a method for determining a position of a NV center of a mesoscopic solid-state element within a spatial region. The method includes irradiating the spatial region with an excitation light for the NV center. The method further comprises irradiating the spatial region with microwave radiation, the frequency of which corresponds to the frequency at which resonant microwave absorption occurs without a local magnetic field at the NV center. The method furthermore comprises a scanning of spatial sections of the spatial area, with each spatial segment of the spatial areas either generating a magnetic field over the spatial area with a magnetic field curve so that the magnetic field disappears locally in the respective spatial segment, or the microwave radiation for irradiation is generated in such a way that it has one Has microwave field progression and disappears locally in the respective spatial section, or both a magnetic field and microwave radiation are generated in such a way that at least the magnetic field or the microwave radiation disappears locally in the respective spatial section and possibly the other either also disappears or does not disappear in the respective local spatial section, and where For each space segment of the space segments, a light is optically detected in the respective space segment at least in a spectral range which corresponds to an emission light emitted by the NV center. The method also includes determining the position of the NV center based on the detected light in the respective space sections.

Ein Vorteil des Abrasterns und des/der dabei im jeweiligen Raumabschnitt verschwindenden Magnetfelds oder verschwindenden Mikrowellenstrahlung kann insbesondere darin liegen, dass sich damit eine Intensität des Emissionslichts des NV-Zentrums, wenn es im jeweiligen Raumabschnitt ist, verändern lässt, wodurch beim Abrastern eine Unterscheidung dieses jeweiligen Raumabschnitt von den übrigen Raumabschnitten ermöglicht wird und sich so eine optische Auflösung und/oder eine Genauigkeit bei der Bestimmung der Position erhöhen lässt. Ein Vorteil eines Unterscheidens des jeweiligen Abschnitts anhand einer Änderung der Intensität des Emissionslichts aufgrund des Verschwindens des Magnetfelds bzw. der Mikrowellenstrahlung kann insbesondere darin liegen, dass das Verschwinden unabhängig von einer Orientierung im Raum ist und somit lokal beim NV-Zentrum - unabhängig von dessen räumliche Orientierung - das Magnetfeld bzw. die Mikrowellenstrahlung verschwindet, wohingegen die Änderung der Intensität des Emissionslichts aufgrund eines endlichen Magnetfelds oder einer endlichen Mikrowellenstrahlung - also insbesondere nicht verschwindend - von der räumlichen Orientierung des NV-Zentrums gegenüber des Magnetfelds bzw. der Mikrowellenstrahlung abhängen kann. Bei einer Unterscheidung des jeweiligen Raumabschnitt über das Verschwinden des Magnetfelds/der Mikrowellenstrahlung muss somit eine räumliche Orientierung des NV-Zentrums nicht bekannt sein, was etwa vorteilhaft bei einem biologischen Material oder bei anderen Materialien sein kann, bei welchen die räumliche Orientierung des NV-Zentrums nicht bestimmt wird oder sich aufgrund von Rotation gegenüber dem Material - wie etwa bei Flüssigkeiten - ändern kann. Entsprechendes gilt für die Vielzahl der mesoskopischen Festkörperelemente mit den NV-Zentren, wobei sich durch die Unabhängigkeit des Verschwindens des Magnetfelds bzw. der Mikrowellenstrahlung von der räumlichen Orientierung für jedes NV-Zentrum der NV-Zentren synergistisch die superauflösende Mikroskopie vereinfachen lässt, da etwa keine jeweilige Orientierung der NV-Zentren bestimmt werden muss. So weist die Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen in einigen Ausführungsformen wenigstens 100, wenigstens 1000 oder wenigstens 12000 mesoskopische Festkörperelemente und eine entsprechende Vielzahl an NV-Zentren - also wenigstens 100, wenigstens 1000 oder wenigstens 12000 - auf. Damit lässt sich vorteilhafte Weise - auch falls eine Bestimmung der jeweiligen Orientierung der NV-Zentren überhaupt möglich wäre - das Verfahren, da etwa keine Bestimmung der jeweiligen Orientierung erforderlich ist, effizienter machen.One advantage of scanning and the magnetic field or the disappearing microwave radiation that disappears in the respective space segment can be that it allows the intensity of the emission light of the NV center to be changed when it is in the respective space segment, whereby a distinction is made between this during scanning respective space section is made possible by the remaining space sections and thus an optical resolution and / or an accuracy in determining the position can be increased. An advantage of differentiating the respective section on the basis of a change in the intensity of the emission light due to the disappearance of the magnetic field or the microwave radiation can be in particular that the disappearance is independent of an orientation in space and thus local to the NV center - regardless of its spatial orientation Orientation - the magnetic field or the microwave radiation disappears, whereas the change in the intensity of the emission light due to a finite magnetic field or a finite microwave radiation - i.e. in particular not disappearing - depends on the spatial orientation of the NV center with respect to the magnetic field or the microwave radiation can depend. When differentiating between the respective spatial section based on the disappearance of the magnetic field / microwave radiation, a spatial orientation of the NV center does not have to be known, which can be advantageous for a biological material or for other materials in which the spatial orientation of the NV center is is not determined or can change due to rotation with respect to the material - such as with liquids. The same applies to the large number of mesoscopic solid-state elements with the NV centers, whereby the independence of the disappearance of the magnetic field or the microwave radiation from the spatial orientation for each NV center of the NV centers synergistically simplifies the super-resolution microscopy, since none the respective orientation of the NV centers must be determined. Thus, in some embodiments, the multiplicity of mesoscopic solid-state elements has at least 100, at least 1000 or at least 12000 mesoscopic solid-state elements and a corresponding multiplicity of NV centers - that is, at least 100, at least 1000 or at least 12000. In this way, the method can advantageously be made more efficient - even if a determination of the respective orientation of the NV centers were possible at all - since, for example, no determination of the respective orientation is required.

Ein Vorteil des mesoskopischen Festkörperelements, welches das NV-Zentrum aufweist - also etwa als Defekt in einer Festkörpermatrix des mesoskopischen Festkörperelements wie etwa einer Diamantmatrix ausbildet -, kann insbesondere darin liegen, dass das NV-Zentrum eine hohe Photostabilität und/oder eine hohe Helligkeit - d. h. insbesondere eine hohe Intensität des Emissionslichts bei einer bestimmten Intensität des Anregungslichts - aufweist und/oder das mesoskopische Festkörperelement das NV-Zentrum von äußeren Einflüssen abschirmt - etwa stärker abschirmt als bei konventionellen Fluorophoren wie einzelnen fluoreszierenden Molekülen -, wodurch sich die Effizienz und/oder Verlässlichkeit - etwa bei einem Anfärben mittels solcher mesoskopischer Festkörperelemente - steigern und ihre Anwendung vereinfachen lässt. Auch interagieren solche mesoskopischen Festkörperelemente üblicherweise weniger mit einem - etwa biologischen - Material und haben somit eine erhöhte (Bio-) Kompatibilität, wodurch sich vorteilhaft eine (ungewollte) Beeinflussung eines untersuchenden Materials reduzieren und somit die Anwendung vereinfachen lässt. Auch kann eine erhöhte (Bio-) Kompatibilität längere Messzeiten und damit etwa eine erhöhte Genauigkeit und/oder Verlässlichkeit ermöglichen. So lassen sich damit etwa bei der Untersuchung von einem biologischen Material dessen Eigenschaften untersuchen, ohne diese etwa aufgrund der Anfärbung mittels eines Fluoreszenzstoffs - also vorliegend einer Vielzahl von solchen NV-Zentren - (wesentlich) zu verändern. Auch lassen sich damit andere Anwendungen - also insbesondere nicht bei einem biologischen Material - verbessern, wobei sich etwa bestimmte (An-) Teile eines Produkts wie etwa einer chemischen Substanz oder eines Werkstücks mittels solcher NV-Zentren markieren lassen und diese Markierung aufgrund der hohen Helligkeit und/oder Photostabilität zur Bestimmung der Position dieser Markierungen verlässlich eingesetzt werden kann.An advantage of the mesoscopic solid-state element, which has the NV center - that is to say, for example, as a defect in a solid matrix of the mesoscopic solid-state element such as a diamond matrix - can in particular be that the NV center has high photostability and / or high brightness - d. H. In particular, the emission light has a high intensity at a certain intensity of the excitation light - and / or the mesoscopic solid-state element shields the NV center from external influences - for example more strongly than with conventional fluorophores such as individual fluorescent molecules - which increases the efficiency and / or reliability - for example when staining by means of such mesoscopic solid-state elements - can be increased and their application simplified. Such mesoscopic solid-state elements also usually interact less with a - for example biological - material and thus have an increased (bio) compatibility, which advantageously reduces (unwanted) influencing of the material being examined and thus simplifies the application. Increased (bio) compatibility can also enable longer measurement times and thus, for example, increased accuracy and / or reliability. Thus, when examining a biological material, for example, its properties can be examined without (significantly) changing them due to the coloring by means of a fluorescent substance - that is to say in the present case a large number of such NV centers. It can also be used to improve other applications - that is, in particular not for a biological material - with certain (partial) parts of a product such as a chemical substance or a workpiece being able to be marked using such NV centers and this marking due to the high brightness and / or photostability can be used reliably to determine the position of these markings.

Die möglichen Vorteile, Ausführungsformen oder Varianten des ersten Aspekts der Erfindung gelten entsprechend auch für das Verfahren zur Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums.The possible advantages, embodiments or variants of the first aspect of the invention also apply accordingly to the method for determining a position of an NV center.

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft Verfahren zur Mikroskopie basierend auf einer Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen, wobei jedes der Festkörperelemente jeweils wenigstens ein NV-Zentrum aufweist. Das Verfahren weist ein Anordnen eines Testobjekts innerhalb eines Raumbereichs auf, wobei das Testobjekt die Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen aufweist - also etwa mittels der mesoskopischen Festkörperelemente angefärbt ist. Außerdem weist das Verfahren ein Durchführen des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf, wobei die jeweiligen NV-Zentren der mesoskopischen Festkörperelemente mittels des Abrasterns der Raumabschnitte voneinander unterschieden und somit bildgebend aufgelöst werden.A third aspect of the invention relates to methods for microscopy based on a plurality of mesoscopic solid-state elements, each of the solid-state elements having at least one NV center. The method includes arranging a test object within a spatial region, the test object having the plurality of mesoscopic solid-state elements - that is to say is colored by means of the mesoscopic solid-state elements, for example. In addition, the method includes performing the method according to the first aspect of the invention, the respective NV centers of the mesoscopic solid-state elements being distinguished from one another by means of the scanning of the spatial sections and thus being resolved by imaging.

Die möglichen Vorteile, Ausführungsformen oder Varianten der vorhergehenden Aspekte der Erfindung gelten entsprechend auch für das Verfahren zur Mikroskopie basierend auf einer Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen.The possible advantages, embodiments or variants of the preceding aspects of the invention also apply accordingly to the method for microscopy based on a large number of mesoscopic solid-state elements.

Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Mikroskop. Das Mikroskop weist einen Raumbereich zur Anordnung eines Testobjekts - wie etwa eines biologischen Materials oder eines Werkstücks - auf. Das Mikroskop weist weiterhin eine Lichtquelle zum Bestrahlen des Raumbereichs mit einem Anregungslicht auf, mittels welchem, wenn ein Testobjekt mit einer Vielzahl an je in einem mesoskopischen Festkörperelement ausgebildeten NV-Zentren in dem Raumbereich angeordnet ist, eines oder mehrere der NV-Zentren der Vielzahl an NV-Zentren optisch anregbar sind. Das Mikroskop weist weiterhin eine Mikrowellenantennenanordnung zum Bestrahlen des Raumbereiches mit einer Mikrowellenstrahlung auf, deren Frequenz jener Frequenz entspricht, bei welcher ohne einem lokalen Magnetfeld eine resonante Mikrowellenabsorption der NV-Zentren auftritt. Das Mikroskop weist weiterhin eine Steuerungseinrichtung auf, die eingerichtet ist, Raumabschnitte des Raumbereichs abzurastern und dabei jeweils einen Raumabschnitt der Raumabschnitte auszuwählen sowie für den jeweils ausgewählten Raumabschnitt eine Magnetfeldeinrichtung derart zu steuern, dass diese ein Magnetfeld mit einem Magnetfeldverlauf über den Raumbereich erzeugt, durch welchen das Magnetfeld lokal im jeweils ausgewählten Raumabschnitt verschwindet, oder die Mikrowellenantennenanordnung derart zu steuern, dass diese den Raumbereich mit der Mikrowellenstrahlung derart bestrahlt, dass die Mikrowellenstrahlung einen Mikrowellenfeldverlauf aufweist und lokal im jeweils ausgewählten Raumabschnitt verschwindet. Das Mikroskop weist weiterhin eine Sensoreinrichtung auf, die eingerichtet ist, zumindest im beim Abrastern jeweils ausgewählten Raumabschnitt ein von den NV-Zentren emittiertes Emissionslicht zu erfassen. Außerdem weist das Mikroskop eine Auswerteeinrichtung auf, die eingerichtet ist, ein - insbesondere zweidimensionales oder dreidimensionales - Abbild des Testobjekts basierend auf dem Emissionslicht zu bestimmen, welches in den jeweiligen Raumabschnitten von den NV-Zentren emittiert wird.A fourth aspect of the invention relates to a microscope. The microscope has a spatial area for the arrangement of a test object - such as a biological material or a workpiece. The microscope also has a light source for irradiating the spatial area with an excitation light, by means of which, when a test object with a plurality of NV centers each formed in a mesoscopic solid-state element is arranged in the spatial area, one or more of the NV centers of the plurality NV centers are optically stimulable. The microscope also has a microwave antenna arrangement for irradiating the spatial area with microwave radiation, the frequency of which corresponds to the frequency at which resonant microwave absorption of the NV centers occurs without a local magnetic field. The microscope furthermore has a control device which is set up to scan spatial sections of the spatial area and thereby to select one spatial section of the spatial sections and for the respectively selected one To control a magnetic field device in such a way that it generates a magnetic field with a magnetic field profile over the spatial area, through which the magnetic field disappears locally in the selected spatial segment, or to control the microwave antenna arrangement in such a way that it irradiates the spatial area with the microwave radiation in such a way that the microwave radiation has a microwave field course and disappears locally in the selected space section. The microscope also has a sensor device which is set up to detect an emission light emitted by the NV centers at least in the spatial section selected during the scanning. In addition, the microscope has an evaluation device which is set up to determine a — in particular two-dimensional or three-dimensional — image of the test object based on the emission light which is emitted by the NV centers in the respective spatial sections.

Die möglichen Vorteile, Ausführungsformen oder Varianten der vorhergehenden Aspekte der Erfindung gelten entsprechend auch für das Mikroskop. Dabei kann das Mikroskop etwa eingerichtet sein, ein Verfahren gemäß dem ersten oder dritten Aspekt Erfindung auszuführen.The possible advantages, embodiments or variants of the preceding aspects of the invention also apply accordingly to the microscope. The microscope can for example be set up to carry out a method according to the first or third aspect of the invention.

In einigen Ausführungsformen weist das Mikroskop weiterhin die Magnetfeldeinrichtung zum Erzeugen des Magnetfelds auf, wobei eine Intensität des von den NV-Zentren emittierten Emissionslichts von der resonanten Mikrowellenabsorption und dem Magnetfeld beim jeweiligen NV-Zentrum abhängig ist. Alternativ weist in einigen Ausführungsformen das Mikroskop keine Magnetfeldeinrichtung auf, wobei eine Intensität des von den NV-Zentren emittierten Emissionslichts zumindest von der resonante Mikrowellenabsorption, aber nicht notwendigerweise von dem (lokalen) Magnetfeld beim jeweiligen NV-Zentrum abhängig ist. Bei solchen Ausführungsformen für NV-Zentren, deren Intensität des Emissionslichts nicht von Magnetfeld abhängt, und/oder - bei einigen Varianten - ohne Magnetfeldeinrichtung, ist die Steuerungseinrichtung eingerichtet, die Mikrowellenantennenanordnung zu steuern, etwa um beim Abrastern einen jeweiligen Raumabschnitt zu adressieren, bzw. ist die Steuerungseinrichtung nicht zum Steuern einer Magnetfeldeinrichtung eingerichtet. Auch weisen einige Ausführungsformen eine Abschirmeinrichtung zum Abschirmen eines (externen) Magnetfelds oder zum Abschirmen von (externer) Mikrowellenstrahlung auf.In some embodiments, the microscope furthermore has the magnetic field device for generating the magnetic field, an intensity of the emission light emitted by the NV centers being dependent on the resonant microwave absorption and the magnetic field at the respective NV center. Alternatively, in some embodiments the microscope does not have a magnetic field device, an intensity of the emission light emitted by the NV centers being dependent at least on the resonant microwave absorption, but not necessarily on the (local) magnetic field at the respective NV center. In such embodiments for NV centers whose intensity of the emission light does not depend on a magnetic field and / or - in some variants - without a magnetic field device, the control device is set up to control the microwave antenna arrangement, for example in order to address a particular section of space during scanning, or the control device is not set up to control a magnetic field device. Some embodiments also have a shielding device for shielding an (external) magnetic field or for shielding (external) microwave radiation.

Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums von einem mesoskopischen Festkörperelement innerhalb eines Raumbereichs, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß dem ersten, dem zweiten oder dem dritten Aspekt der Erfindung auszuführen.A fifth aspect of the invention relates to a device for determining a position of an NV center of a mesoscopic solid-state element within a spatial region, the device being set up to carry out a method according to the first, second or third aspect of the invention.

Die möglichen Vorteile, Ausführungsformen oder Varianten der vorhergehenden Aspekte der Erfindung gelten entsprechend auch für die Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums. Auch kann das Mikroskop in einigen Varianten eingerichtet sein, ein Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt auszuführen, und so einige Varianten der Vorrichtung gemäß dem fünften Aspekt Erfindung ausbilden, wobei nicht notwendigerweise eine Vielzahl an NV-Zentren erfasst werden sondern auch ein einzelnes NV-Zentrum basierend auf einer Änderung seiner Intensität des Emissionslichts erfasst und dessen Position bestimmt werden kann.The possible advantages, embodiments or variants of the preceding aspects of the invention also apply accordingly to the device for determining a position of an NV center. In some variants, the microscope can also be set up to carry out a method according to the second aspect, and thus form some variants of the device according to the fifth aspect of the invention, wherein not necessarily a plurality of NV centers are detected but also a single NV center based detected on a change in its intensity of the emission light and its position can be determined.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen und/oder aus den Figuren.Further advantages, features and possible applications emerge from the following detailed description of exemplary embodiments and / or from the figures.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren anhand vorteilhafter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Gleiche Elemente oder Bauteile der Ausführungsbeispiele werden im Wesentlichen durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet, falls dies nicht anders beschrieben wird oder sich nicht anders aus dem Kontext ergibt.The invention is explained in more detail below with reference to the figures on the basis of advantageous exemplary embodiments. The same elements or components of the exemplary embodiments are essentially identified by the same reference symbols, unless otherwise described or if the context does not indicate otherwise.

Hierzu zeigen, teilweise schematisiert:

  • 1 ein Modell eines [NV]--Zentrums;
  • 2 ein Energiediagramm für ein NV-Zentrum;
  • 3 ein Mikroskop nach einer Ausführungsform;
  • 4 ein Raumbereich mit Raster nach einer Ausführungsform;
  • 5 eine Abhängigkeit einer Fluoreszenz eines [NV]--Zentrums von einer Frequenz einer Mikrowellenstrahlung nach einer Ausführungsform;
  • 6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur superauflösenden Mikroskopie in drei Dimensionen basierend auf einer Vielzahl an Nanodiamanten nach einer Ausführungsform; und
  • 7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur zweidimensionalen Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums nach einer Ausführungsform.
To this end show, partly schematically:
  • 1 a model of a [NV] - center;
  • 2 an energy diagram for an NV center;
  • 3 a microscope according to one embodiment;
  • 4th a spatial area with a grid according to one embodiment;
  • 5 a dependence of a fluorescence of a [NV] - center on a frequency of microwave radiation according to one embodiment;
  • 6th a flowchart of a method for super-resolution microscopy in three dimensions based on a plurality of nanodiamonds according to an embodiment; and
  • 7th a flowchart of a method for two-dimensional determination of a position of an NV center according to an embodiment.

Die Figuren sind schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen und/oder Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente und/oder Bauteile sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen, in den Figuren dargestellten Elemente und/oder Bauteile derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und/oder ihr Zweck dem Fachmann verständlich werden.The figures are schematic representations of various embodiments and / or exemplary embodiments of the present invention. Elements and / or components shown in the figures are not necessarily shown true to scale. Rather, the various elements and / or components shown in the figures are such reproduced so that their function and / or their purpose can be understood by a person skilled in the art.

In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen den funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindungen oder Kopplungen implementiert werden. Insbesondere können Datenverbindungen drahtgebunden oder drahtlos, also insbesondere als Funkverbindungen, ausgebildet sein. Auch können bestimmte Verbindungen, etwa elektrische Verbindungen, etwa zur Energieversorgung, der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sein. Weiterhin können optische Verbindungen - etwa zwischen optischen Elementen -, welche insbesondere als gerader Lichtstrahl dargestellt werden können, auch in einigen Varianten mittels einem Lichtleiter und/oder durch optische Elemente, wie Spiegel, zum Umlenken von Lichtstrahlen implementiert werden, wobei solche Verbindungen der Übersichtlichkeit halber nicht notwendigerweise dargestellt sind.Connections and couplings shown in the figures between the functional units and elements can also be implemented as indirect connections or couplings. In particular, data connections can be wired or wireless, that is to say in particular as radio connections. Certain connections, for example electrical connections, for example for energy supply, can also not be shown for the sake of clarity. Furthermore, optical connections - for example between optical elements - which can be represented in particular as a straight light beam, can also be implemented in some variants by means of a light guide and / or optical elements such as mirrors for deflecting light beams, such connections for the sake of clarity are not necessarily shown.

1 veranschaulicht eine Atomstruktur eines NV-Zentrums wie etwa ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums schematisch mit einem Kugel-Stab-Modell eines [NV]--Zentrums (140) ohne umliegenden Diamantgitter. Dabei sind drei Kohlenstoffatome 146 an drei Plätzen des Diamantgitters angeordnet, während bei einem zu diesen drei Kohlenstoffatomen 146 (unmittelbar/Nächster-Nachbar) benachbarten Gitterplatz eine Fehlstelle 144 (Vakanz: V) besteht - dieser Gitterplatz also nicht besetzt ist - sowie bei einem dazu (unmittelbar/Nächster-Nachbar) benachbarten Gitterplatz anstelle eines Kohlenstoffatoms ein Stickstoffatom 142 (Stickstoff: N) angeordnet ist. Zudem sind in 1 ein Vektor für ein externes Magnetfeld 80 sowie eine Achse des NV-Zentrums 148 - bezüglich derer ein Spin eines Mehrelektronensystems des NV-Zentrums definiert wird - dargestellt. Dabei versteht es sich, dass neben dem externen Magnetfeld 80 auch ein Magnetfeld aufgrund der magnetischen Momente der Atomkerne auf Elektronen des Mehrelektronensystems wirksam ist bzw. diese magnetischen Felder sich überlagern, wobei - sofern nicht gesondert auf diese zusätzliche magnetischen Momente verwiesen wird - im Sinne der Erfindung unter dem „dort wirksamen Magnetfeld“ jenes Magnetfeld zu verstehen ist, welches dort, also beim jeweiligen NV-Zentrums aufgrund des externen Magnetfelds auftritt. 1 illustrates an atomic structure of an NV center such as a nitrogen vacancy center schematically with a ball-and-stick model of a [NV] - center ( 140 ) without surrounding diamond lattice. There are three carbon atoms 146 arranged in three places of the diamond lattice, while in one of these three carbon atoms 146 (immediate / nearest neighbor) neighboring lattice space a defect 144 (Vacancy: V) exists - this lattice site is therefore not occupied - as well as a nitrogen atom instead of a carbon atom for a lattice site adjacent to it (immediate / nearest neighbor) 142 (Nitrogen: N) is arranged. In addition, in 1 a vector for an external magnetic field 80 as well as an axis of the NV center 148 - with respect to which a spin of a multi-electron system of the NV center is defined - is shown. It goes without saying that in addition to the external magnetic field 80 a magnetic field is also effective on electrons of the multi-electron system due to the magnetic moments of the atomic nuclei or these magnetic fields overlap, whereby - unless reference is made separately to these additional magnetic moments - in the sense of the invention under the "magnetic field effective there" that magnetic field is assigned is to understand which occurs there, i.e. at the respective NV center due to the external magnetic field.

In 2 ist ein Energiediagramm 40 für ein NV-Zentrum wie etwa einem [NV]--Zentrum nach einer derzeitigen Modellierung (vgl. etwa Rogers, L. J.; Armstrong, S.; Sellars, M. J.; Manson, N. B. (2008). „Infrared emission of the NV centre in diamond: Zeeman and uniaxial stress studies“. New Journal of Physics. 10 (10): 103024 .) (vgl. etwa Doherty, Marcus W.; Manson, Neil B.; Delaney, Paul; Jelezko, Fedor; Wrachtrup, Jörg; Hollenberg, Lloyd C. L. (2013-07-01). „The nitrogen-vacancy colour centre in diamond“. Physics Reports. The nitrogen-vacancy colour centre in diamond. 528 (1): 1-45 .) dargestellt. Das Mehrelektronensystem des NV-Zentrums weist einen Triplett-Grundzustand |g>, einen angeregten Triplett-Zustand |e> sowie zwei Zwischenzustände |ze> und |zg>, die energetisch zwischen dem Grundzustand |g> und dem angeregten Zustand |e> liegen, auf. Zwei der Elektronen des Mehrelektronensystems können im Triplett-Grundzustand bezüglich ihres Spins parallel oder antiparallel ausgerichtet sein, sodass das Mehrelektronensystem einen Spin +1 (ms=+1) oder -1 (ms=-1) bzw. einen Spin 0 (ms=0) aufweist. Aufgrund ihrer Spin-Wechselwirkung haben die Elektronen bei Spin +1 und -1 höheres Energieniveau als bei antiparalleler Ausrichtung mit Spin 0. Zudem - in 2 nicht dargestellt - können sich die Energieniveaus für ms=+1 und ms=-1 voneinander etwa aufgrund einer Wechselwirkung mit den magnetischen Momenten der Atomkerne unterscheiden (vgl. Hyperfeinstruktur), wobei diese Aufspaltung, also ein Unterschied zwischen den Energieniveaus für ms=+1 und ms=-1 üblicherweise wesentlich kleiner ist als ein Energieunterschied zwischen die Energieniveaus für ms=+1 / ms=-1 gegenüber dem Energieniveau für ms=0.In 2 is an energy diagram 40 for an NV center such as a [NV] - center according to current modeling (cf. Rogers, LJ; Armstrong, S .; Sellars, MJ; Manson, NB (2008). "Infrared emission of the NV center in diamond: Zeeman and uniaxial stress studies". New Journal of Physics. 10 (10): 103024 .) (cf. for example Doherty, Marcus W .; Manson, Neil B .; Delaney, Paul; Jeletsko, Fedor; Wrachtrup, Jörg; Hollenberg, Lloyd CL (2013-07-01). "The nitrogen-vacancy color center in diamond". Physics Reports. The nitrogen-vacancy color center in diamond. 528 (1): 1-45 .) shown. The multi-electron system of the NV center has a triplet ground state | g>, an excited triplet state | e> and two intermediate states | ze> and | zg>, which are energetically between the ground state | g> and the excited state | e> , on. Two of the electrons of the multi-electron system can be aligned parallel or antiparallel with regard to their spin in the triplet ground state, so that the multi-electron system has a spin +1 (m s = +1) or -1 (m s = -1) or a spin 0 (m s = 0). Due to their spin interaction, the electrons have a higher energy level with spin +1 and -1 than with an anti-parallel alignment with spin 0. In addition, - in 2 not shown - the energy levels for m s = + 1 and m s = -1 can differ from one another due to an interaction with the magnetic moments of the atomic nuclei (see hyperfine structure), with this splitting, i.e. a difference between the energy levels for m s = + 1 and m s = -1 is usually much smaller than an energy difference between the energy levels for m s = + 1 / m s = -1 compared to the energy level for m s = 0.

Ausgehend von 2 lässt sich ein Emittieren von Emissionslicht durch ein NV-Zentrum 140 entsprechend 1 und/oder bzgl. Energieniveaus entsprechend 2 sowie eine Abhängigkeit eine Intensität des Emissionslichts von einer resonanten Mikrowellenabsorption und etwaig eine Magnetfeld beim NV-Zentrum wie folgt veranschaulichen. Mittels Anregungslicht 46 mit ausreichender Energie je Photon, also etwa einem grünen Laser mit einer Wellenlänge kleiner als etwa 532 nm - wie etwa wie dargestellt mit einer Wellenlänge von 515 nm - lässt sich das [NV]--Zentrum vom Grundzustand |g> (zunächst etwaig in vibronische Bänder und dann von dort aus) in den angeregten Zustand |e> optisch anregen, wobei der Spin des Mehrelektronensystems erhalten bleibt, also etwa bei Anregung des Grundzustands |g> mit ms=+1 entsprechend als angeregter Zustand |e> mit ms=+1 erreicht wird. Daraufhin kann das NV-Zentrum unter Emission eines Photons, also Emissionslicht 56 und somit Fluoreszenz, wieder zum entsprechenden Zustand des Triplett-Grundzustands - also etwa vom angeregten Zustand le> mit ms=+1 zum Grundzustand |g> mit ms=+1 - gelangen; so kann etwa bei einem [NV]--Zentrum ein Photon mit 637 nm, also etwa rotes Emissionslicht 56 emittiert werden. Dieser Übergang wird auch strahlender Übergang oder optischer Übergang genannt, wobei üblicherweise das hierbei emittierte (Emission-/Fluoreszenz-) Licht optisch detektiert wird.Starting from 2 emission light can be emitted by an NV center 140 corresponding 1 and / or with regard to energy levels accordingly 2 and a dependency of an intensity of the emission light on a resonant microwave absorption and a possible magnetic field at the NV center as follows. Using excitation light 46 with sufficient energy per photon, i.e. a green laser with a wavelength less than about 532 nm - such as a wavelength of 515 nm as shown - the [NV] - center can be converted from the ground state | g> (initially into vibronic Bands and then from there) optically excite the excited state | e>, whereby the spin of the multi-electron system is retained, i.e. when the ground state | g> with m s = + 1 is excited, correspondingly as an excited state | e> with m s = +1 is reached. The NV center can then emit a photon, i.e. emission light 56 and thus fluorescence, return to the corresponding state of the triplet ground state - that is, from the excited state le> with m s = + 1 to the ground state | g> with m s = + 1 -; at a [NV] - center, for example, a photon with 637 nm, i.e. red emission light, can be produced 56 are emitted. This transition is also called a radiating transition or optical transition, with the (emission / fluorescence) light emitted here usually being detected optically.

Neben diesem strahlenden Übergang ist auch ein weiterer Übergang über die Zwischenzustände |ze> und |zg> möglich, wobei etwa beim Übergang von |zg> zu |ze> ein Photon mit einer größeren Wellenlänge, also etwa bei einem [NV]--Zentrum ein Photon mit 1042 nm emittiert wird. Bei anderen Modellen wird von nur einem Zwischenzustand ausgegangen, sodass kein entsprechendes Photon emittiert wird. Bei diesen Übergängen findet also keine Emission von Photonen oder zumindest eine Emission 58 von Photonen mit einer anderen, insbesondere mit einer größeren Wellenlänge statt, und diese Übergänge werden auch nicht-strahlende Übergänge genannt. Bei diesen nicht-strahlenden Übergängen bleibt der Spin des Mehrelektronensystems nicht notwendigerweise erhalten, wobei die Rate bzw. die Wahrscheinlichkeit für einen Übergang von einem angeregten Zustand mit ms=+1 oder ms=-1 des angeregten Triplett-Zustands |e> zum Zustand mit ms=0 des Triplett-Grundzustands größer ist als die Rate bzw. die Wahrscheinlichkeit für einen Übergang vom angeregten Zustand |e> mit ms=0 zu einem der Grundzustände mit ms=+1, 0 oder -1. Der weitere Übergang über die Zwischenzustände |ze> und |zg> konkurriert mit dem strahlenden Übergang. Somit emittiert ein NV-Zentrum, wenn es einen Spin ms=0 aufweist, mehr Emissionslicht als bei einem Spin ms=+1 oder ms=-1, da bei ms=+1 oder ms=-1 ein Übergang über die Zwischenzustände (verhältnismäßig) häufiger stattfindet. Außerdem lässt sich bei einem NV-Zentrum durch wiederholtes Anregen die Besetzungswahrscheinlichkeit für den Grundzustand und/oder für den angeregten Zustand mit ms=0 erhöhen, da über den weiteren Übergang wahrscheinlicher der Grundzustand |g> mit ms=0 (und dann nach etwaig erneuter Anregung der angeregte Zustand |e> mit ms=0) erreicht wird - dies wird auch Spinpolarisation genannt.In addition to this radiant transition, a further transition via the intermediate states | ze> and | zg> is also possible, for example at Transition from | zg> to | ze> a photon with a larger wavelength, i.e. a photon with 1042 nm is emitted at an [NV] - center. In other models, only one intermediate state is assumed, so that no corresponding photon is emitted. In these transitions there is no emission of photons or at least one emission 58 of photons with a different, especially with a longer wavelength take place, and these transitions are also called non-radiating transitions. In these non-radiating transitions, the spin of the multi-electron system is not necessarily retained, the rate or the probability of a transition from an excited state with m s = + 1 or m s = -1 of the excited triplet state | e> to State with m s = 0 of the triplet ground state is greater than the rate or the probability of a transition from the excited state | e> with m s = 0 to one of the ground states with m s = + 1, 0 or -1. The further transition via the intermediate states | ze> and | zg> competes with the radiant transition. Thus, if an NV center has a spin m s = 0, it emits more emission light than with a spin m s = + 1 or m s = -1, since there is a transition at m s = + 1 or m s = -1 takes place more frequently over the intermediate states. In addition, in the case of an NV center, repeated excitation can increase the population probability for the ground state and / or for the excited state with m s = 0, since over the further transition the ground state | g> with m s = 0 (and then after possibly renewed excitation the excited state | e> with m s = 0) is reached - this is also called spin polarization.

Durch bestimmte Maßnahmen - wie etwa Strahlung mit einer bestimmten Energie (insbesondere je Strahlungsquantum), welche einem Energieunterschied zwischen |g> mit ms=0 und Ig> mit ms=±1 entspricht bzw. einem Energieunterschied zwischen |e> mit ms=0 und |e> mit ms=±1 entspricht - lässt sich die Besetzungswahrscheinlichkeit für den Grundzustand und/oder den angeregten Zustand mit ms=+1 oder -1 bei einem NV-Zentrum erhöhen. Bei einem [NV]--Zentrum (ohne externes Magnetfeld) kann mittels Mikrowellenstrahlung 48 mit einer Frequenz von etwa 2870 Mhz ein Übergang vom Grundzustand |g> mit ms=0 zu einem der Grundzustände mit ms=±1 resonant angeregt werden, also eine Elektronenspinresonanz erzielt werden - d.h. im Sinne der Offenbarung insbesondere eine resonante Absorption der (Mikrowellen-) Strahlung durch das NV-Zentrum unter Übergang von Ig> mit ms=0 zu |g> mit ms=+1 oder -1. Im weiteren Sinne kann unter einer Elektronenspinresonanz auch ein solches Anregen unter Variation des (externen) Magnetfelds und ein Messen der magnetfeldabhängigen Absorption der Mikrowellenstrahlung verstanden werden (vgl. etwa https://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenspinresonanz).By certain measures - such as radiation with a certain energy (in particular per radiation quantum), which corresponds to an energy difference between | g> with m s = 0 and Ig> with m s = ± 1 or an energy difference between | e> with m s = 0 and | e> with m s = ± 1 corresponds - the occupation probability for the ground state and / or the excited state can be increased with m s = + 1 or -1 for an NV center. At an [NV] - center (without an external magnetic field), microwave radiation 48 a transition from the ground state | g> with m s = 0 to one of the ground states with m s = ± 1 can be resonantly excited at a frequency of about 2870 MHz, i.e. an electron spin resonance can be achieved - i.e. in the sense of the disclosure in particular a resonant absorption of the ( Microwave) radiation through the NV center with transition from Ig> with m s = 0 to | g> with m s = + 1 or -1. In a broader sense, electron spin resonance can also be understood as such an excitation by varying the (external) magnetic field and measuring the magnetic field-dependent absorption of the microwave radiation (cf. e.g. https://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenspinresonanz).

Durch Anlegen eines externen Magnetfelds verschieben sich bei einem NV-Zentrum, bei welchem die Intensität des Emissionslichts vom (lokalen) Magnetfeld abhängt - wie etwa dem [NV]--Zentrum -, die Energieniveaus des Grundzustands mit ms=+1 und des Grundzustands mit ms=-1 (entsprechendes gilt für die Zustände des angeregten Triplettzustands |e> mit ms=±1). Somit wird für den Übergang von Ig> mit ms=0 zu |g> mit ms=-1 eine andere Frequenz der Mikrowellenstrahlung benötigt als für den Übergang von Ig> mit ms=0 zu |g> mit ms=+1.When an external magnetic field is applied, the energy levels of the ground state with m s = + 1 and the ground state shift at an NV center, where the intensity of the emission light depends on the (local) magnetic field - such as the [NV] - center with m s = -1 (the same applies to the states of the excited triplet state | e> with m s = ± 1). Thus, for the transition from Ig> with m s = 0 to | g> with m s = -1, a different frequency of the microwave radiation is required than for the transition from Ig> with m s = 0 to | g> with m s = + 1.

Bei Bestrahlung eines [NV]--Zentrums (zunächst ohne externes Magnetfeld) mit Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von etwa 2870 Mhz wird also die Wahrscheinlichkeit für die Zustände mit ms=±1 erhöht, wodurch die Fluoreszenz, also das emittierte Emissionslicht 56 abnimmt. Durch ein externes Magnetfeld 80, welches am NV-Zentrum 140 wirkt, wird die für die Elektronenspinresonanz erforderliche Frequenz verschoben, wodurch die Wahrscheinlichkeit für die Zustände mit ms=±1 weniger oder nicht mehr erhöht wird und somit die Fluoreszenz nicht abnimmt bzw. wieder zunimmt.When a [NV] - center is irradiated (initially without an external magnetic field) with microwave radiation with a frequency of about 2870 MHz, the probability for the states with m s = ± 1 is increased, which causes the fluorescence, i.e. the emitted emission light 56 decreases. By an external magnetic field 80 , which at the NV Center 140 acts, the frequency required for the electron spin resonance is shifted, as a result of which the probability for the states with m s = ± 1 is less or no longer increased and thus the fluorescence does not decrease or increase again.

Die Änderung der Fluoreszenz - d. h. insbesondere die Änderung der Intensität des Emissionslichts - ist beim NV-Zentrum also abhängig von der bestimmten Maßnahme zur Erhöhung der Besetzungswahrscheinlichkeit für Zustände mit ms=±1 - also etwa der Frequenz und der Feldstärke der eingestrahlten Mikrowellenstrahlung - sowie von dem beim NV-Zentrum wirksamen (externen) Magnetfeld. Somit lässt sich mittels einer bestimmten Maßnahme zur Erhöhung der Besetzungswahrscheinlichkeit wie etwa Mikrowellenstrahlung die Intensität des Emissionslichts ändern, wobei etwaig - bei entsprechender Abhängigkeit vom Magnetfeld - dieser bestimmten Maßnahme und somit einer Änderung der Intensität entgegengewirkt werden kann. So bewirkt eine entsprechende Mikrowellenstrahlung bei einem [NV]--Zentrum eine Abnahme der Intensität des Emissionslichts gegenüber dem Emissionslicht ohne Mikrowellenstrahlung (bei gleichem Anregungslicht), wobei wiederum ein einem [NV]--Zentrum wirkendes Magnetfeld die zur resonanten Mikrowellenabsorption erforderliche Frequenz verschiebt und somit eine Abnahme der Intensität verhindert - bzw. gegenüber dem Emissionslicht bei Mikrowellenstrahlung und gleichem Anregungslicht eine Erhöhung der Intensität des Emissionslichts bewirkt.The change in fluorescence - i.e. in particular the change in the intensity of the emission light - is therefore dependent on the specific measure to increase the occupation probability for states with m s = ± 1 - i.e. about the frequency and field strength of the irradiated microwave radiation - as well as from the (external) magnetic field effective at the NV center. Thus, the intensity of the emission light can be changed by means of a specific measure to increase the occupation probability, such as microwave radiation, and this specific measure and thus a change in intensity can be counteracted if there is a corresponding dependence on the magnetic field. For example, a corresponding microwave radiation at an [NV] - center causes a decrease in the intensity of the emission light compared to the emission light without microwave radiation (with the same excitation light), with a magnetic field acting at a [NV] - center shifting and shifting the frequency required for resonant microwave absorption thus prevents a decrease in the intensity - or causes an increase in the intensity of the emission light compared to the emission light with microwave radiation and the same excitation light.

3 zeigt schematisch ein Mikroskop 300 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 shows schematically a microscope 300 according to one embodiment of the present invention.

In einem Ausführungsbeispiel weist das Mikroskop 300 einen Raumbereich 320 zur Anordnung eines Testobjekts auf, wobei dieser Raumbereich in einer Fokalebene des Mikroskops liegt. In einigen Weiterbildungen ist der Raumbereich durch einen Objektträger 321 des Mikroskops 300 definiert, wobei der Objektträger 321 und das Mikroskop eingerichtet sind, ein vom Objektträger 321 getragenes Testobjekt in einer Fokalebene des Mikroskops 300 anzuordnen. Entsprechend kann in einigen Weiterbildungen das Mikroskop 300 eingerichtet sein, einen Objektträger, welcher nicht notwendigerweise Bestandteil des Mikroskops ist, derart aufzunehmen, dass ein Testobjekt in der Fokalebene liegt.In one embodiment, the microscope 300 a room area 320 for the arrangement of a test object, this spatial area lying in a focal plane of the microscope. In some Further training is the spatial area through a slide 321 of the microscope 300 defined, the slide 321 and the microscope are set up, one from the slide 321 carried test object in a focal plane of the microscope 300 to arrange. Correspondingly, the microscope can in some further developments 300 be set up to receive a slide, which is not necessarily part of the microscope, in such a way that a test object lies in the focal plane.

In 3 ist außerdem ein biologisches Material, insbesondere ein biologisches Gewebe, als ein Testobjekt 200 dargestellt, welches im Raumbereich 320 auf dem Objektträger 321 angeordnet, aber nicht notwendigerweise Bestandteil des Mikroskops 300 ist. Das biologische Gewebe 200 weist eine Vielzahl an biologischen Zellen 222, 224 sowie eine Vielzahl an Nanodiamanten 240 als Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen auf, wobei jeder der Nanodiamanten 240 jeweils wenigstens ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums 140 als NV-Zentrum aufweist. Dabei kann - wie dargestellt - ein Bereich einer 224 der biologischen Zellen mittels mehrerer Nanodiamanten 240 angefärbt sein. Dazu können - in einigen Varianten - die Nanodiamanten 240 eine funktionalisierte Oberfläche aufweisen, sodass diese an den Bereich dieser biologischen Zelle 224 binden. Entsprechend können mesoskopische Festkörperelemente - in einigen Varianten - eine funktionalisierte Oberfläche aufweisen, welche eine Bindung an andere Bereiche einer biologischen Zelle oder an ein bestimmtes Material oder eine Lösung in einem bestimmten Fluid ermöglicht. Auch kann - wie dargestellt - ein weiterer Bereich des Testobjekts einige der Nanodiamanten 240 aufweisen.In 3 is also a biological material, particularly a biological tissue, as a test object 200 shown which in the room area 320 on the slide 321 arranged, but not necessarily part of the microscope 300 is. The biological tissue 200 exhibits a multitude of biological cells 222 , 224 as well as a variety of nanodiamonds 240 as a plurality of mesoscopic solid-state elements, each of the nanodiamonds 240 at least one nitrogen vacancy center in each case 140 as NV center. As shown, an area can be a 224 of biological cells by means of several nanodiamonds 240 be stained. In addition - in some variants - the nanodiamonds 240 have a functionalized surface, so that they fit into the area of this biological cell 224 tie. Correspondingly, mesoscopic solid-state elements can - in some variants - have a functionalized surface which enables binding to other areas of a biological cell or to a specific material or a solution in a specific fluid. Also - as shown - another area of the test object can include some of the nanodiamonds 240 exhibit.

In einem Ausführungsbeispiel weist das Mikroskop 300 weiterhin eine Lichtquelle 340 zum Bestrahlen des Raumbereichs mit einem Anregungslicht 46 auf, mittels welchem eines oder mehrere der Stickstoff-Fehlstellen-Zentren 140 der Vielzahl an Stickstoff-Fehlstellen-Zentren 140 optisch anregbar sind. In einigen Varianten weist die Lichtquelle 340 einen Laser für grünes Licht, also insbesondere mit einer Wellenlänge kleiner 532 nm wie etwa mit einer Wellenlänge 515 nm auf. So ist etwa in 3 ein optisches Anregen des Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums 140 dargestellt, welches sich in einem Raumabschnitt 324 des Raumbereichs 320 befindet, wohingegen das Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum 140 im Raumabschnitt 326 des Raumbereich 320 nicht vom Anregungslicht 46 bestrahlt und somit nicht optisch angeregt wird. Ein Vorteil des Bestrahlens nur jener Raumabschnitte, welche beim Abrastern jeweils ausgewählt sind, - und etwaig einiger umliegender Raumabschnitte - kann insbesondere darin liegen, dass sich eine Strahlendosis durch das Anregungslicht reduzieren lässt.In one embodiment, the microscope 300 still a light source 340 for irradiating the room area with an excitation light 46 by means of which one or more of the nitrogen vacancy centers 140 the multitude of nitrogen vacancy centers 140 are optically stimulable. In some variants, the light source has 340 a laser for green light, so in particular with a wavelength less than 532 nm, such as with a wavelength of 515 nm. So is in 3 an optical excitation of the nitrogen vacancy center 140 shown, which is in a room section 324 of the room area 320 whereas the nitrogen vacancy center is located 140 in the room section 326 of the room area 320 not from the excitation light 46 is irradiated and therefore not optically stimulated. An advantage of irradiating only those spatial sections which are selected during the scanning - and possibly some surrounding spatial sections - can in particular be that a radiation dose can be reduced by the excitation light.

Das Mikroskop 300 weist weiterhin eine Mikrowellenantennenanordnung 380 zum steuerbaren Bestrahlen des Raumbereiches 320 mit einer Mikrowellenstrahlung auf, deren Frequenz jener Frequenz entspricht, bei welcher ohne einem lokalen Magnetfeld eine resonante Mikrowellenabsorption der Stickstoff-Fehlstellen-Zentren 140 auftritt. In einigen Varianten für Nanodiamanten mit einem [NV]--Zentrum als das Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum ist die Mikrowellenantennenanordnung 380 eingerichtet, Mikrowellenstrahlung zwischen 2,5 GHz und 3,5 GHz und/oder mit einer Frequenz von etwa 2870 MHz auszustrahlen, wobei die jeweilige Frequenz etwa abhängig von einer Abnahme der Intensität regelbar sein kann.The microscope 300 further comprises a microwave antenna arrangement 380 for controllable irradiation of the room area 320 with a microwave radiation, the frequency of which corresponds to the frequency at which, without a local magnetic field, resonant microwave absorption of the nitrogen vacancy centers 140 occurs. In some variants for nanodiamonds with a [NV] - center as the nitrogen vacancy center is the microwave antenna array 380 set up to emit microwave radiation between 2.5 GHz and 3.5 GHz and / or at a frequency of about 2870 MHz, the respective frequency can be regulated depending on a decrease in intensity.

Das Mikroskop 300 weist weiterhin eine Steuerungseinrichtung 360 auf, die eingerichtet ist, alle Raumabschnitte 324, 326 des Raumbereichs 320 abzurastern und dabei jeweils einen Raumabschnitt der Raumabschnitte - etwa wie dargestellt Raumabschnitt 324 - auszuwählen sowie für den jeweils ausgewählten Raumabschnitt die Mikrowellenantennenanordnung 380 derart zu steuern, dass diese den Raumbereich 320 mit der Mikrowellenstrahlung derart bestrahlt, dass die Mikrowellenstrahlung einen Mikrowellenfeldverlauf aufweist und lokal im jeweils ausgewählten Raumabschnitt verschwindet. Dabei sind die Steuerungseinrichtung 360 und die Mikrowellenantennenanordnung 380 bezüglich einer Feldstärke Mikrowellenstrahlung derart eingestellt, dass in dem jeweiligen Raumabschnitt, in welchem Mikrowellenstrahlung verschwindet, die Intensität des Emissionslichts der dortigen NV-Zentren zumindest im Wesentlichen der Intensität ohne Mikrowellenstrahlung entspricht - also insbesondere wenigstens 50 %, 80 % oder 90 % beträgt - und dass in den übrigen Raumabschnitten, in welchen die die Feldstärke der Mikrowellenstrahlung also endlich ist, die Intensität des Emissionslichts gegenüber der Intensität bei verschwindender Mikrowellenstrahlung reduziert ist - also insbesondere die Intensität des Emissionslichts bei nicht-verschwindender Mikrowellenstrahlung höchstens 95 %, 90 %, 70 % oder 10 % gegenüber der Intensität des Emissionslichts bei verschwindender Mikrowellenstrahlung beträgt.The microscope 300 furthermore has a control device 360 on that is set up all room sections 324 , 326 of the room area 320 raster and thereby a space section of the space sections - roughly as shown space section 324 - select as well as the microwave antenna arrangement for the selected room section 380 to control in such a way that these the spatial area 320 irradiated with the microwave radiation in such a way that the microwave radiation has a microwave field profile and locally disappears in the respectively selected spatial section. Here are the control device 360 and the microwave antenna assembly 380 set with respect to a field strength microwave radiation such that in the respective space section in which microwave radiation disappears, the intensity of the emission light of the NV centers there corresponds at least substantially to the intensity without microwave radiation - i.e. in particular at least 50%, 80% or 90% - and that in the other sections of the room, in which the field strength of the microwave radiation is finite, the intensity of the emission light is reduced compared to the intensity with vanishing microwave radiation - i.e. in particular the intensity of the emission light with non-vanishing microwave radiation at most 95%, 90%, 70% or 10% compared to the intensity of the emission light with vanishing microwave radiation.

Das Mikroskop 300 weist weiterhin eine Sensoreinrichtung 350 auf, die eingerichtet ist, ein Licht 56, 305, insbesondere in einem Spektralbereich zu erfassen, welcher dem Emissionslicht 56 entspricht, zumindest im beim Abrastern jeweils ausgewählten Raumabschnitt - also etwa wie dargestellt im Raumabschnitt 324 - zu erfassen.The microscope 300 furthermore has a sensor device 350 on that is set up a light 56 , 305 , in particular to detect in a spectral range which corresponds to the emission light 56 corresponds, at least in the space section selected during the scanning - i.e. roughly as shown in the space section 324 - capture.

In einigen Varianten ist die Sensoreinrichtung 350 eingerichtet, einen Teil der Raumabschnitte 324, 326 mit dem beim Abrastern jeweils ausgewählten Raumabschnitt - etwa wie dargestellt dem Raumabschnitt 324 - bildgebend zu erfassen, und weist dazu einen Bildsensor auf. In einigen Varianten davon ist der Bildsensor für rotes Licht, insbesondere mit einer Wellenlänge von 637 nm sensitiv. Alternativ oder zusätzlich weist die Sensoreinrichtung 350 in einigen Varianten eine Fotodiode zur Detektion von Licht 56, 503 vom jeweils ausgewählten Raumabschnitt, insbesondere mit einer hohen Sensitivität für eine Wellenlänge von 637 nm, auf.In some variants the sensor device is 350 furnished part of the room sections 324 , 326 with the section of space selected when scanning - for example the section of space as shown 324 - To be captured by imaging, and has an image sensor for this purpose. In some variants of it the image sensor is sensitive to red light, in particular with a wavelength of 637 nm. Alternatively or additionally, the sensor device 350 in some variants a photodiode for detecting light 56 , 503 from the respectively selected space section, in particular with a high sensitivity for a wavelength of 637 nm.

In einigen Weiterbildungen weist das Mikroskop 300 eine Strahlungsteilereinrichtung 330 auf, die eingerichtet ist, Anregungslicht 46 von der Lichtquelle 340 in einen Strahlengang des Mikroskops 300 einzukoppeln sowie von einem der NV-Zentren 140 in den Strahlengang emittiertes Emissionslicht 56 und/oder weiteres Licht 305 vom beim Abrastern jeweils ausgewählten Raumabschnitt zu einem Strahlengangausgang des Mikroskops, bei welchem die Sensoreinrichtung 350 angeordnet ist, zu führen. In einigen Varianten ist die Strahlungsteilereinrichtung 330 als dichroitischer Spiegel ausgebildet.In some advanced training courses, the microscope 300 a beam splitter device 330 on that is set up excitation light 46 from the light source 340 into a beam path of the microscope 300 and from one of the NV centers 140 Emission light emitted into the beam path 56 and / or additional light 305 from the spatial section selected during the scanning to a beam path exit of the microscope in which the sensor device 350 is arranged to lead. In some variants the beam splitter is device 330 designed as a dichroic mirror.

In einigen Weiterbildungen weist das Mikroskop 300 optische Elemente 316 - etwa umfassend ein objektiv 310 - im Strahlengang auf, welche eingerichtet zum Führen des Anregungslichts 46 zum Raumbereich 320 oder zu bestimmten Raumabschnitten 324, 326 davon und/oder eingerichtet zum Führen von Licht 56, 305 vom Raumbereich 320 oder von bestimmten Raumabschnitte 324, 326 davon zu einem Strahlenausgang des Mikroskops 300, bei welchem die Sensoreinrichtung 350 angeordnet ist.In some advanced training courses, the microscope 300 optical elements 316 - approximately comprehensive an objective 310 - In the beam path, which is set up to guide the excitation light 46 to the room area 320 or to certain sections of the room 324 , 326 thereof and / or set up to guide light 56 , 305 from the room area 320 or from certain sections of the room 324 , 326 of which to a beam exit of the microscope 300 , in which the sensor device 350 is arranged.

Das Mikroskop 300 weist weiterhin eine Auswerteeinrichtung 390 auf, die eingerichtet ist, die Positionen der Stickstoff-Fehlstellen-Zentren 140 basierend auf dem Emissionslicht 56 zu bestimmen, welches in den jeweiligen Raumabschnitten 324, 326 von den Stickstoff-Fehlstellen-Zentren emittiert wird.The microscope 300 furthermore has an evaluation device 390 on that is established, the positions of the nitrogen vacancy centers 140 based on the emission light 56 to determine which in the respective room sections 324 , 326 emitted from the nitrogen vacancy centers.

In 4 ist ein Raumbereich 320, welcher mittels eines Rasters 322 in mehrere Raumabschnitte 324, 326 aufgeteilt ist, nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, insbesondere in Kombination mit dem Mikroskop bezüglich 3 oder mit dem Verfahren bezüglich 6, schematisch illustriert.In 4th is a space 320 , which by means of a grid 322 in several room sections 324 , 326 is divided, according to one embodiment of the present invention, in particular in combination with the microscope with respect to 3 or with the procedure regarding 6th , illustrated schematically.

In einem Ausführungsbeispiel sind die Raumabschnitte 324, 326 jeweils Linien durch den Raumbereich 320, welche insbesondere in der Fokalebene des Mikroskops 300 liegen und sich in einer Hauptrichtung durch den Raumbereich 320 erstrecken, während diese in anderen räumlichen Richtungen eine kleinere Ausdehnung aufweisen, welche insbesondere abhängig von der gewünschten räumlichen Auflösung sein kann - also etwa in anderen Richtungen eine räumliche Ausdehnung aufweisen, die kleiner ist als 1 µm, 300 nm, 100 nm oder 5 nm. Dabei sind Linien in einigen Varianten jeweils Raumausdehnungen je um eine in der Fokalebene liegende Gerade. Außerdem weisen die Linien 324, 326 - in einigen Varianten, wie etwa in 4 dargestellt - einen gemeinsamen zentralen Punkt 328 auf und sind relativ zum Raumbereich 320, insbesondere in der Fokalebene, jeweils um einen bestimmten Schrittwinkel gedreht, wobei in einigen Varianten der Schrittwinkel jeweils zu einer vorhergehenden Linie gleichbleibend ist. Entsprechend schneiden sich die Geraden im zentralen Punkt 328 und sind jeweils zueinander um einen bestimmten Schrittwinkel gedreht. Während die Schrittwinkel exemplarisch als 20°-Schritte illustriert sind, werden diese in einigen Varianten - abhängig von der gewünschten räumlichen Auflösung - kleiner gewählt wie etwa als 1°-Schritte, 0,1°-Schritte, 0,01°-Schritte oder 0,003°-Schritte Hierdurch lässt sich vorteilhaft der Raumbereich 320 in Raumabschnitte 324, 326 unterteilen.In one embodiment, the space sections are 324 , 326 lines through the space 320 which are particularly in the focal plane of the microscope 300 lie and move in one main direction through the room area 320 extend, while these have a smaller extent in other spatial directions, which can in particular be dependent on the desired spatial resolution - i.e. have a spatial extent in other directions that is smaller than 1 µm, 300 nm, 100 nm or 5 nm. In this case, lines in some variants are spatial extensions each around a straight line lying in the focal plane. Also point the lines 324 , 326 - in some variants, such as in 4th shown - a common central point 328 and are relative to the space area 320 , in particular in the focal plane, each rotated by a certain step angle, with the step angle in each case being constant with respect to a preceding line in some variants. Accordingly, the straight lines intersect at the central point 328 and are each rotated to each other by a certain step angle. While the step angles are exemplarily illustrated as 20 ° steps, in some variants - depending on the desired spatial resolution - they are selected to be smaller, such as 1 ° steps, 0.1 ° steps, 0.01 ° steps or 0.003 ° -steps This advantageously allows the room area 320 in room sections 324 , 326 subdivide.

Entsprechend sind in einem Ausführungsbeispiel für eine dreidimensionale Mikroskopie die Raumabschnitte 324, 326 jeweils Flächen durch den Raumbereich 320, welche sich in einer ersten und einer zweiten räumlichen Richtung durch den Raumbereich 320 erstrecken, während diese in dritten räumlichen Richtungen eine kleinere Ausdehnung aufweisen, welche insbesondere abhängig von der gewünschten räumlichen Auflösung sein kann - also etwa in der dritten räumlichen Richtung eine räumliche Ausdehnung aufweisen, die kleiner ist als 1 µm, 300 nm, 100 nm oder 5 nm. Dabei sind Flächen in einigen Varianten jeweils Raumausdehnungen je um eine eine Fokalebene schneidende Ebene. Außerdem weisen die Flächen 324, 326 - in einigen Varianten - einen gemeinsamen zentralen Punkt 328 auf und sind relativ zum Raumbereich 320, insbesondere in der Fokalebene sowie zur Fokalebene, jeweils um einen bestimmten ersten Schrittwinkel sowie einen bestimmten zweiten Schrittwinkel gedreht, wobei in einigen Varianten der erste Schrittwinkel und/oder der zweite Schrittwinkel jeweils zu einer vorhergehenden Fläche gleichbleibend ist. In einigen Varianten können die Flächen berechnet werden durch Festlegen eines ersten Winkels für eine erste Gruppe an Flächen, wobei die Flächen der ersten Gruppe an Flächen zueinander jeweils um den bestimmten zweiten Schrittwinkel rotiert sind, und der auch iteratives Erhöhen des ersten Winkels je Iteration um den ersten Schrittwinkel sowie iteratives Bestimmen von Flächen von weiteren Gruppen an Flächen, welche jeweils den jeweiligen ersten Winkel relativ zum Raumbereich aufweisen und jeweils um den bestimmten zweiten Schrittwinkel zueinander rotiert sind. Entsprechend schneiden sich die Ebenen im zentralen Punkt 328 und sind jeweils zueinander um den ersten und zweiten Schrittwinkel gedreht.Correspondingly, in an exemplary embodiment for three-dimensional microscopy, the spatial sections are 324 , 326 each area through the room area 320 which extends in a first and a second spatial direction through the spatial area 320 extend, while these have a smaller extent in third spatial directions, which can in particular be dependent on the desired spatial resolution - i.e. have a spatial extent in the third spatial direction that is smaller than 1 µm, 300 nm, 100 nm or 5 nm. In some variants, surfaces are spatial extensions each around a plane intersecting a focal plane. In addition, the surfaces 324 , 326 - in some variants - a common central point 328 and are relative to the space area 320 , in particular in the focal plane as well as to the focal plane, each rotated by a specific first step angle and a specific second step angle, wherein in some variants the first step angle and / or the second step angle is constant to a previous surface. In some variants, the areas can be calculated by specifying a first angle for a first group of areas, the areas of the first group of areas being rotated relative to one another by the determined second step angle, and also iteratively increasing the first angle per iteration by the first step angle and iterative determination of areas of further groups of areas which each have the respective first angle relative to the spatial area and are each rotated to one another by the determined second step angle. Accordingly, the levels intersect at the central point 328 and are rotated with respect to one another by the first and second step angles.

Weiterhin können entsprechend in einem Ausführungsbeispiel die Flächen zueinander nur um einen Schrittwinkel rotiert sein und sich in einer Geraden schneiden, welche durch einen gemeinsamen zentralen Punkt in einer Fokalebene geht. Für eine dreidimensionale Mikroskopie können mehrere Fokalebenen abgerastert werden.Furthermore, in one exemplary embodiment, the surfaces can be rotated to one another only by a step angle and intersect in a straight line which passes through a common central point in a focal plane goes. Several focal planes can be scanned for three-dimensional microscopy.

Bei einigen Weiterbildungen, bei welchen der Raumbereich 320 mittels eines Rasters 322 basierend auf einem zentralen Punkt 328 - wie bezüglich 4 beschrieben - unterteilt ist, ist die Mikrowellenantennenanordnung 380 eingerichtet, steuerbar die Mikrowellenstrahlung derart zu erzeugen, dass diese jeweils in einem ausgewählten der Raumabschnitte 324, 326 verschwindet und in den übrigen Raumabschnitten eine endliche Feldstärke aufweist. Zudem ist die Sensoreinrichtung 350 eingerichtet, beim Abrastern jeweils den ausgewählten der Raumabschnitte 324, 326 zumindest eindimensional aufgelöst, d. h. das Licht 56, 305 davon zu erfassen. Schließlich ist die Auswerteeinrichtung 390 eingerichtet, eine (etwaig dreidimensionale) inverse Radon-Transformation auszuführen und so ein Bild des Raumbereichs 320 aus den erfassten Raumabschnitten zu rekonstruieren.In some further training courses in which the spatial area 320 by means of a grid 322 based on a central point 328 - as regarding 4th described - is subdivided, is the microwave antenna assembly 380 set up to controllably generate the microwave radiation in such a way that it is in a selected one of the space sections 324 , 326 disappears and has a finite field strength in the rest of the space. In addition, the sensor device 350 set up, when scanning the selected room sections 324 , 326 at least one-dimensionally resolved, ie the light 56 , 305 to capture it. Finally, there is the evaluation device 390 set up to carry out an (possibly three-dimensional) inverse Radon transformation and thus an image of the spatial area 320 to reconstruct from the recorded space sections.

Bei einigen Weiterbildungen ist die Mikrowellenantennenanordnung 380 eingerichtet, steuerbar die Mikrowellenstrahlung derart zu erzeugen, dass diese jeweils in einem ausgewählten der Raumabschnitte 324, 326 verschwindet und in den übrigen Raumabschnitten eine endliche Feldstärke aufweist, wobei die Mikrowellenstrahlung einen sigmoidalen Feldverlauf und/oder einen Fettverlauf mit einem Gradienten im ausgewählten der Raumabschnitte aufweist, der dort so steil ist, dass die Mikrowellenstrahlung nur in diesem ausgewählten Raumabschnitt verschwindet, während die Feldstärke in den übrigen Raumabschnitten so groß ist, dass die Emission des Emissionslichts wenigstens um einen vorbestimmten Wert reduziert wird.In some developments, the microwave antenna arrangement is 380 set up to controllably generate the microwave radiation in such a way that it is in a selected one of the space sections 324 , 326 disappears and has a finite field strength in the remaining space sections, the microwave radiation having a sigmoidal field curve and / or a fat curve with a gradient in the selected one of the space sections which is so steep there that the microwave radiation disappears only in this selected space section, while the field strength in the remaining space sections is so large that the emission of the emission light is reduced by at least a predetermined value.

Bei einigen Weiterbildungen ist die Mikrowellenantennenanordnung 380 eingerichtet, steuerbar die Mikrowellenstrahlung derart zu erzeugen, dass diese jeweils in einem ausgewählten der Raumabschnitte 324, 326 verschwindet und in den übrigen Raumabschnitten eine endliche Feldstärke aufweist, wobei für das Verschwinden im ausgewählten Raumabschnitt oder in den ausgewählten Raumabschnitten Mikrowellenstrahlung unterschiedlicher Frequenz derart überlagert wird, dass es zu Interferenzen und entsprechend einer destruktiven Überlagerung, also insbesondere Auslöschung bei dem ausgewählten Raumabschnitt/den ausgewählten Raumabschnitten kommt. Auf diese vorteilhafte Weise lassen sich große lokale Gradienten und damit insbesondere ein präzises Verschwinden in den ausgewählten Raumabschnitten erzielen und/oder eine exakte Steuerung - etwa eine Verschiebung für den jeweils auszuwählenden Raumabschnitt entlang einer Achse durch den Raumbereich - ermöglichen.In some developments, the microwave antenna arrangement is 380 set up to controllably generate the microwave radiation in such a way that it is in a selected one of the space sections 324 , 326 disappears and has a finite field strength in the remaining space sections, with microwave radiation of different frequencies being superimposed for the disappearance in the selected space section or in the selected space sections in such a way that it leads to interference and, accordingly, a destructive overlay, i.e. in particular extinction in the selected space section (s) Room sections comes. In this advantageous way, large local gradients and thus, in particular, precise disappearance in the selected space sections can be achieved and / or precise control - for example a shift for the space section to be selected along an axis through the space area - can be made possible.

In 5 ist eine Abhängigkeit einer Fluoreszenz eines [NV] --Zentrums von einer Frequenz einer Mikrowellenstrahlung, mittels derer nach einer Ausführungsform der Erfindung insbesondere in Kombination mit dem Mikroskop bezüglich 3 oder mit dem Verfahren bezüglich 6 oder 7 in bestimmten - d. h. insbesondere ausgewählten - Raumabschnitten eines Raumbereichs die Intensität des Emissionslichts verändert wird.In 5 is a dependence of a fluorescence of a [NV] - center on a frequency of a microwave radiation, by means of which according to one embodiment of the invention in particular in combination with the microscope with respect to 3 or with the procedure regarding 6th or 7th The intensity of the emission light is changed in certain - ie in particular selected - spatial sections of a spatial region.

In einem Ausführungsbeispiel ist die Fluoreszenz in willkürlichen Einheiten (arb. Units, a.u.) - d. h. insbesondere eine Intensität des Emissionslichts des [NV] --Zentrums - auf der Ordinate von 5 aufgetragen und die Frequenz der Mikrowellenstrahlung auf der Abszisse. Hierbei nimmt ausgehend von einer Fluoreszenz von etwa 300 a.u. die Fluoreszenz bei einer Frequenz von etwa 2870 MHz auf etwa 265 a.u. ab. Bei diesen 2870 MHz ist also die resonante Mikrowellenabsorption durch das [NV]--Zentrum maximal und damit die Fluoreszenz - ohne externes Magnetfeld - maximal reduziert, was etwa einer Reduktion auf 88 % entsprechen kann. Abhängig von den jeweils verwendeten NV-Zentren kann die Frequenz der (maximalen) resonanten Mikrowellenabsorption verschieden sein und als vorbestimmte Frequenz ausgewählt werden oder - etwa innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs - durch eine Regelung, etwa als Teil der Steuerungseinrichtung, eingestellt werden.In one embodiment, the fluorescence is in arbitrary units (arb. Units, au) - ie in particular an intensity of the emission light of the [NV] - center - on the ordinate of 5 plotted and the frequency of the microwave radiation on the abscissa. Starting from a fluorescence of approx 300 au the fluorescence at a frequency of about 2870 MHz to about 265 au from. At this 2870 MHz, the resonant microwave absorption by the [NV] - center is maximum and thus the fluorescence - without an external magnetic field - is reduced to a maximum, which can correspond to a reduction to 88%. Depending on the NV centers used in each case, the frequency of the (maximum) resonant microwave absorption can be different and selected as a predetermined frequency or - for example within a predetermined frequency range - set by a control system, for example as part of the control device.

6 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens 400 zur superauflösenden Mikroskopie, insbesondere in drei Dimensionen, basierend auf einer Vielzahl an Nanodiamanten, wobei das Verfahren 400 in einigen Varianten ein Verfahren 430 umfasst; die Verfahren 400, 430 je nach einer Ausführungsform der Erfindung. 6th shows a flow diagram of a method 400 for super-resolution microscopy, especially in three dimensions, based on a large number of nanodiamonds, the method 400 in some variants a procedure 430 includes; the proceedings 400 , 430 depending on an embodiment of the invention.

In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 400 die Verfahrensschritte 420, 460, 462, 434, 468, 438, 465 und 490 sowie die Verfahrensbedingung 410 auf. Das Verfahren 400 beginnt beim Verfahrensstart 402 und endet beim Verfahrensende 404.In one embodiment, the method 400 the procedural steps 420 , 460 , 462 , 434 , 468 , 438 , 465 and 490 as well as the procedural condition 410 on. The procedure 400 begins at the start of the procedure 402 and ends at the end of the procedure 404 .

Dabei kann in einigen Varianten ein Mikroskop gemäß der Erfindung, insbesondere ein bezüglich 3 beschriebenes Mikroskop verwendet werden.In some variants, a microscope according to the invention, in particular a with respect to 3 described microscope can be used.

Im Verfahrensschritt 420 wird ein Testobjekt innerhalb eines dreidimensionalen Raumbereichs angeordnet, wobei das Testobjekt die Vielzahl an Nanodiamanten als Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen aufweist, wobei die Nanodiamanten jeweils ein [NV] --Zentrum aufweisen.In the process step 420 a test object is arranged within a three-dimensional spatial area, the test object having the plurality of nanodiamonds as a plurality of mesoscopic solid-state elements, the nanodiamonds each having a [NV] - center.

Im Verfahrensschritt 460 wird der Raumbereich basierend auf einem Raster, wie es etwa bezüglich 4 beschrieben ist, abgerastert. Dazu werden im Verfahrensschritt 460 die Verfahrensschritte 462, 434, 468, 438 und 465 iterativ ausgeführt bis gemäß Verfahrensbedingung 410 alle Raumabschnitte des Raumbereichs oder zumindest eine bestimmte Auswahl dieser Raumabschnitte abgerastert wurden.In the process step 460 the room area is based on a grid like that around in terms of 4th is described, scanned. This is done in process step 460 the procedural steps 462 , 434 , 468 , 438 and 465 executed iteratively until according to the procedural requirements 410 all space sections of the space area or at least a certain selection of these space sections have been scanned.

Im Verfahrensschritt 462 wird ein erster bzw. bei weiteren Iterationen ein entsprechender weiterer Raumabschnitt basierend auf dem Raster aus dem Raumbereich ausgewählt. Dabei ist das Raster so gewählt, dass die einzelnen Raumabschnitte zu weiteren benachbarten Raumabschnitten einen Abstand aufweisen, der einer Auflösung jenseits des Abbe-Limits entspricht, oder aneinander angrenzen oder überlappen und dass die einzelnen Raumabschnitte zumindest in einer Dimension eine räumliche Ausdehnung aufweisen, die einer Auflösung jenseits des Abbe-Limits entspricht. Bei dem Raster gemäß 4 wird also der Schrittwinkel so klein gewählt, dass auch bei vom zentralen Punkt weiter entfernten Bereichen der Abstand noch kleiner als das Abbe-Limit ist. Entsprechend wird bei dem Raster bezüglich 4 für die dreidimensionale Mikroskopie der erste Schrittwinkel und der zweite Schrittwinkel so klein gewählt, dass auch bei vom zentralen Punkt weiter entfernten Bereichen des Raumbereichs der Abstand noch kleiner als das Abbe-Limit ist und sich alle Linien bzw. Flächen in einem gemeinsamen zentralen Punkt schneiden. Auf diese vorteilhafte Weise lässt sich der dreidimensionale Raumbereich superauflösend in Raumabschnitte unterteilen. In einigen Varianten führt die Steuerungseinrichtung 360 von 3 den Verfahrensschritt 462 aus.In the process step 462 a first or, in the case of further iterations, a corresponding further spatial section is selected based on the grid from the spatial area. The grid is selected in such a way that the individual room sections are at a distance from other neighboring room sections that corresponds to a resolution beyond the Abbe limit, or adjoin or overlap one another and that the individual room sections have a spatial extent that at least in one dimension Resolution beyond the Abbe limit. With the grid according to 4th the step angle is selected so small that the distance is even smaller than the Abbe limit even in areas further away from the central point. Correspondingly, the grid is related to 4th For three-dimensional microscopy, the first step angle and the second step angle are chosen to be so small that the distance is even smaller than the Abbe limit even in areas of the spatial area further away from the central point and all lines or surfaces intersect at a common central point. In this advantageous way, the three-dimensional spatial area can be subdivided into spatial sections with super-resolution. In some variants, the control device leads 360 of 3 the procedural step 462 out.

Im Verfahrensschritt 434 wird der jeweils ausgewählte Raumabschnitt als Teil des Raumbereichs mit einem Anregungslicht für das [NV]--Zentrum, also etwa mit einem Licht mit einer Wellenlänge im grünen Bereich wie 515 nm bestrahlt. In einigen Varianten wird das Anregungslicht mittels der Lichtquelle 340 von 3 erzeugt und etwaig mittels optischer Elemente 316 zum Raumbereich oder zum jeweils ausgewählten Raumabschnitt geführt.In the process step 434 the respectively selected spatial section is irradiated as part of the spatial area with an excitation light for the [NV] - center, i.e. with a light with a wavelength in the green range such as 515 nm. In some variants, the excitation light is generated by means of the light source 340 of 3 generated and possibly by means of optical elements 316 to the room area or to the respectively selected room section.

Im Verfahrensschritt 468 wird eine Mikrowellenstrahlung so erzeugt, dass diese einen Mikrowellenverlauf aufweist und lokal im jeweils ausgewählten Raumabschnitt verschwindet sowie eine Frequenz hat, welche jener Frequenz entspricht, bei welcher eine resonante Mikrowellenabsorption ohne lokalem Magnetfeld beim [NV] --Zentrum auftritt, also etwa 2870 MHz. In einigen Varianten erzeugt die Steuerungseinrichtung 360 ein entsprechendes Signal für die Mikrowellenstrahlung.In the process step 468 a microwave radiation is generated in such a way that it has a microwave course and disappears locally in the selected space section and has a frequency which corresponds to the frequency at which resonant microwave absorption occurs without a local magnetic field at the [NV] - center, i.e. around 2870 MHz. In some variants, the control device generates 360 a corresponding signal for the microwave radiation.

Im Verfahrensschritt 438 wird der Raumbereich mit dieser Mikrowellenstrahlung bestrahlt. In einigen Varianten wird der Raumbereich mittels der Mikrowellenantennenanordnung 380 von 3, insbesondere basierend auf einem entsprechenden Signal von der Steuerungseinrichtung 360, bestrahlt, wobei insbesondere die Mikrowellenantennenanordnung 380 im Zusammenwirken mit der Steuerungseinrichtung 360 eingerichtet ist, die Mikrowellenstrahlung so zu erzeugen und auszustrahlen, dass das Verschwinden der Mikrowellenstrahlung auf den jeweils ausgewählten Raumabschnitt - zumindest im Wesentlichen - begrenzt ist, wodurch sich insbesondere vorteilhaft eine Auflösung jenseits des Abbe-Limits erzielen lässt.In the process step 438 the area of the room is irradiated with this microwave radiation. In some variants, the room area is created by means of the microwave antenna arrangement 380 of 3 , in particular based on a corresponding signal from the control device 360 , irradiated, in particular the microwave antenna arrangement 380 in cooperation with the control device 360 is set up to generate and emit the microwave radiation in such a way that the disappearance of the microwave radiation is limited - at least essentially - to the respectively selected space section, whereby a resolution beyond the Abbe limit can particularly advantageously be achieved.

Im Verfahrensschritt 465 wird ein Licht im jeweils ausgewählten Raumabschnitt zumindest in einem Spektralbereich optisch erfasst, welcher einem vom [NV] --Zentrum emittierten Emissionslicht entspricht, also etwa in einem Spektralbereich zwischen 570 nm und 700 nm, wobei in einigen Varianten eine Sensitivität für die Erfassung bei etwa 637 nm maximiert wird. In einigen Varianten wird das Licht mittels der Sensoreinrichtung 350 von 3 bildgebend erfasst.In the process step 465 a light is optically detected in the respectively selected spatial section at least in a spectral range which corresponds to an emission light emitted by the [NV] - center, i.e. in a spectral range between 570 nm and 700 nm, with a sensitivity for the detection of around 637 nm is maximized. In some variants, the light is generated by means of the sensor device 350 of 3 captured by imaging.

Bei Verfahrensbedingung 410 wird überprüft, ob eine ausreichende Anzahl an Raumabschnitten - etwa abhängig von der gewünschten Auflösung - oder auch alle Raumabschnitte des Raumbereichs abgerastert worden sind, und sofern dies der Fall ist - symbolisiert durch <y> -, das Verfahren 400 bei Verfahrensschritt 490 fortgesetzt. Andernfalls - symbolisiert durch <n> - wird das Verfahren 400 bei Verfahrensschritt 462 für einen weiteren Raumabschnitt, also insbesondere für einen noch nicht abgerasterten Raumabschnitt, fortgesetzt.With procedural condition 410 it is checked whether a sufficient number of space sections - depending on the desired resolution, for example - or also all space sections of the space area have been scanned, and if this is the case - symbolized by <y> - the method 400 at process step 490 continued. Otherwise - symbolized by <n> - the procedure 400 at process step 462 for a further space segment, that is to say in particular for a space segment that has not yet been scanned.

Im Verfahrensschritt 490 wird eine dreidimensionale inverse Radon-Transformation für das erfasste Licht von allen abgerasterten Raumabschnitten ausgeführt und so ein Bild des Raumbereichs - also insbesondere der [NV]--Zentren und des mit diesen NV-Zentren angefärbten Testobjekts - superauflösend, d. h. insbesondere mit einer Auflösung jenseits des Abbe-Limits, rekonstruiert.In the process step 490 a three-dimensional inverse Radon transformation is carried out for the detected light from all scanned space sections and thus an image of the spatial area - i.e. in particular the [NV] - centers and the test object colored with these NV centers - super-resolution, ie in particular with a resolution beyond of the Abbe limit, reconstructed.

Wie dargestellt kann das Verfahren 400 das Verfahren 430 umfassen, wobei das Verfahren 430 die Verfahrensschritte 460, 462, 434, 468, 438, 465, 490 und 494 sowie die Verfahrensbedingung 410 umfasst. Dabei werden im zusätzlichen Verfahrensschritt 494 aus dem rekonstruierten Bild mittels einer Mustererkennung die Positionen der Nanodiamanten bzw. [NV]--Zentren bestimmt.As shown, the procedure 400 the procedure 430 include, the method 430 the procedural steps 460 , 462 , 434 , 468 , 438 , 465 , 490 and 494 as well as the procedural condition 410 includes. In the additional process step 494 the positions of the nanodiamonds or [NV] - centers are determined from the reconstructed image by means of pattern recognition.

In einigen Abwandlungen des Verfahrens 400 wird nicht über den ersten Schrittwinkel und den zweiten Schrittwinkel, sondern über mehrere Fokalebenen iteriert, wobei eine erste Fokalebene und dann entsprechend weitere Fokalebenen der Fokalebenen ausgewählt werden und für jede der Fokalebenen jeweils ein zweidimensionales Bild des Testobjekt durch ein entsprechendes Abrastern 460 mit (nur) einem Schrittwinkel, bei welchen die Raumabschnitte in der jeweiligen Fokalebene liegen, bestimmt wird sowie aus diesen zweidimensionalen Bildern das dreidimensionale Bild zusammengesetzt wird.In some variations of the procedure 400 is iterated not over the first step angle and the second step angle, but over several focal planes, a first focal plane and then correspondingly further focal planes of the focal planes being selected and a two-dimensional image of the test object for each of the focal planes by scanning accordingly 460 is determined with (only) a step angle at which the spatial sections lie in the respective focal plane, and the three-dimensional image is assembled from these two-dimensional images.

7 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens 430 zur zweidimensionalen Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums nach einer Ausführungsform der Erfindung. 7th shows a flow diagram of a method 430 for two-dimensional determination of a position of an NV center according to an embodiment of the invention.

In einem Ausführungsbeispiel entspricht das Verfahren zumindest im Wesentlichen und sofern nichts anderes beschrieben ist dem Verfahren 430 bezüglich 6, wobei entsprechend das Verfahren 430 beim Verfahrensstart 402 beginnt und beim Verfahrensende 404 endet. Auch lässt sich das Verfahren für eine Vielzahl an NV-Zentren verwenden und somit eine Vielzahl an Positionen bestimmen, etwa zur superauflösenden Mikroskopie.In one exemplary embodiment, the method corresponds at least substantially and unless otherwise described to the method 430 in terms of 6th according to the procedure 430 at the start of the procedure 402 begins and at the end of the procedure 404 ends. The method can also be used for a large number of NV centers and thus a large number of positions can be determined, for example for super-resolution microscopy.

In einem Ausführungsbeispiel basiert das Verfahren 430 auf einer Änderung der Intensität des Emissionslichts mittels eines Magnetfelds.In one embodiment, the method is based 430 on a change in the intensity of the emission light by means of a magnetic field.

Dazu wird im Verfahrensschritt 438 der gesamte Raumbereich, welcher in einer Fokalebene liegt, mit Mikrowellenstrahlung mit geeigneter Frequenz und Feldstärke derart bestrahlt, dass die Intensität des Emissionslichts des NV-Zentrums oder mehrere NV-Zentren in verschiedenen Raumabschnitten des Raumbereichs abnimmt.This is done in process step 438 the entire spatial area, which lies in a focal plane, is irradiated with microwave radiation with a suitable frequency and field strength such that the intensity of the emission light of the NV center or several NV centers in different spatial sections of the spatial area decreases.

Im Verfahrensschritt 460 werden die Raumabschnitte, welche ebenfalls in der Fokalebene liegen, zweidimensional - also für (nur) einen Schrittwinkel - abgerastert, wobei die Verfahrensschritte 462, 466 und 465 ausgeführt werden und, wenn Verfahrensbedingung 410 erfüllt ist, das Verfahren anschließend bei Verfahrensschritt 470 fortgesetzt.In the process step 460 the spatial sections, which also lie in the focal plane, are scanned two-dimensionally - that is, for (only) one step angle, the process steps 462 , 466 and 465 be carried out and, if procedural condition 410 is fulfilled, the process then at process step 470 continued.

Im Verfahrensschritt 466 wird ein Magnetfeld - in einigen Varianten etwa mittels einer Anti-Helmholtz-Spule oder einer Anordnung mit mehreren solcher Spulen - derart mit einem Magnetfeldverlauf erzeugt, dass das Magnetfeld lokal im jeweils ausgewählten Raumabschnitt verschwindet. Somit nimmt die Intensität in den übrigen Raumabschnitten zu, während die Intensität im ausgewählten Raumabschnitt - aufgrund der nicht-verstimmten Frequenz für die resonante Mikrowellenabsorption - reduziert bleibt.In the process step 466 a magnetic field - in some variants, for example by means of an anti-Helmholtz coil or an arrangement with several such coils - is generated with a magnetic field curve in such a way that the magnetic field disappears locally in the selected spatial section. Thus, the intensity increases in the remaining room sections, while the intensity in the selected room section - due to the non-detuned frequency for the resonant microwave absorption - remains reduced.

Im Verfahrensschritt 465 wird der Raumbereich bildgebend erfasst, also insbesondere das Licht aus dem Raumbereich für einen Bereich im Spektrum, in welchem das Emissionslicht liegt, bildgebend erfasst.In the process step 465 the spatial area is recorded in an imaging manner, that is to say in particular the light from the spatial area for an area in the spectrum in which the emission light is located is recorded in an imaging manner.

Im Verfahrensschritt 470 wird ein Referenzbild bei Bestrahlung mit Mikrowellenstrahlung aber ohne Magnetfeld - Magnetfelder lassen sich insbesondere auch durch eine Magnetfeldabschirmeinrichtung abschirmen - aufgenommen, also die (reduzierte) Intensität des Emissionslichts für das NV-Zentrum bzw. für die NV-Zentren bildgebend erfasst.In the process step 470 a reference image is recorded when irradiated with microwave radiation but without a magnetic field - magnetic fields can in particular also be shielded by a magnetic field shielding device - i.e. the (reduced) intensity of the emission light for the NV center or for the NV centers is recorded using an image.

Im Verfahrensschritt 472 wird eine Änderung dieser Intensität - insbesondere aufgrund eines Nicht-Verschwindens des Magnetfelds - basierend auf dem Referenzbild bestimmt.In the process step 472 a change in this intensity - in particular due to a non-disappearance of the magnetic field - is determined based on the reference image.

Im Verfahrensschritt 494 wird die Position des NV-Zentrums basierend auf der Änderung der Intensität bestimmt, wobei dazu im Verfahrensschritt 496 mittels einer Mustererkennung (unmittelbar - also insbesondere ohne vorherige Rekonstruktion eines Bildes des Raumbereichs) basierend auf der Änderung der Intensität in den Raumabschnitten die Position des NV Zentrums bestimmt wird.In the process step 494 the position of the NV center is determined based on the change in intensity, with this in method step 496 the position of the NV center is determined by means of pattern recognition (directly - that is to say in particular without prior reconstruction of an image of the spatial area) based on the change in the intensity in the spatial sections.

Während einige Ausführungsbeispiele bezüglich eines oder mehrerer [NV]--Zentren beschrieben wurden, kann der Fachmann diese auch für weitere NV-Zentren anpassen. So wird etwa in einigen Abwandlungen mit einer sogenannten „hexagonal lattice site silicon vacancy (VSi)“ als Anregungslicht ein Licht mit einer Wellenlänge von höchstens 861 nm, also etwa ein Anregungslicht mit einer Wellenlänge von 730 nm mit einer Laserdiode erzeugt und als Licht aus dem Raumbereich bzw. aus dem jeweils ausgewählten Raumabschnitt, insbesondere also das Emissionslicht für eine Wellenlänge wenigstens im Bereich zwischen 875 nm und 890 nm erfasst sowie als Mikrowellenstrahlung eine Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz im Bereich von 4,5 MHz erzeugt.While some exemplary embodiments have been described in relation to one or more [NV] - centers, those skilled in the art can also adapt these for other NV centers. For example, in some modifications with a so-called "hexagonal lattice site silicon vacancy (V Si )" as excitation light, a light with a wavelength of at most 861 nm, i.e. an excitation light with a wavelength of 730 nm, is generated with a laser diode and emitted as light the spatial area or from the respectively selected spatial section, in particular the emission light for a wavelength at least in the range between 875 nm and 890 nm and generated as microwave radiation with a frequency in the range of 4.5 MHz.

Mit dem Obenstehenden ergeben sich auch die folgenden Ausführungen und/oder sind mit dem Obenstehenden beispielhaft ausgeführt.With the above, the following statements also result and / or are exemplified with the above.

Einige der Ausführungsformen ermöglichen vorteilhaft eine dreidimensional superauflösende Mikroskopie. Ein Vorteil der superauflösenden Mikroskopie basierend auf der Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen kann insbesondere darin liegen, dass die mesoskopischen Festkörperelemente ein Testobjekt wie etwa eine biologische Zelle weniger beeinflussen als andere Fluoreszenzstoffe - etwa in Kombination mit hohen erforderlichen Lichtdosen -, wodurch sich die Mikroskopie verbessern und/oder vereinfachen und/oder zuverlässiger machen lässt. Auch kann ein Vorteil darin liegen, dass die Fluoreszenz der NV-Zentren der mesoskopischen Festkörperelemente mittels der Mikrowellenstrahlung und/oder mittels des Magnetfelds - bei entsprechenden Feldverläufen in drei Dimensionen - über alle drei Raumdimensionen veränderbar ist, womit sich insbesondere jeweilige der Raumabschnitte spezifisch adressieren - d. h. insbesondere abrastern - lassen, wodurch sich eine dreidimensionale Bildgebung - also insbesondere eine dreidimensionale Rekonstruktion des Testobjekt bzw. seines Abbilds bzw. der beim Testobjekt angeordneten bzw. vom Testobjekt aufgewiesenen mesoskopischen Festkörperelemente - erzielen lässt.Some of the embodiments advantageously enable three-dimensional super-resolution microscopy. One advantage of super-resolution microscopy based on the large number of mesoscopic solid-state elements can in particular be that the mesoscopic solid-state elements influence a test object such as a biological cell less than other fluorescent substances - for example in combination with the high required light doses -, which improves microscopy and / or can be simplified and / or made more reliable. Another advantage can be that the fluorescence of the NV centers of the mesoscopic solid-state elements can be changed over all three spatial dimensions by means of the microwave radiation and / or by means of the magnetic field - with corresponding field profiles in three dimensions, whereby, in particular, each of the spatial sections can be specifically addressed - i.e. in particular scanned - whereby three-dimensional imaging - i.e. in particular a three-dimensional reconstruction of the test object or its image or the mesoscopic solid-state elements arranged on the test object or exhibited by the test object - can be achieved.

Zur dreidimensional superauflösenden Mikroskopie erstreckt sich, in einigen Ausführungsformen, der Raumbereich in drei Dimensionen, wobei der Raumbereich mit einer Auflösung jenseits eines Abbe-Limits für ein Emissionslicht, welches von dem NV-Zentrum bzw. von den NV-Zentren bei optischer Anregung durch das Anregungslicht emittierbar ist, abgerastert wird.For three-dimensional super-resolution microscopy, in some embodiments, the spatial area extends in three dimensions, the spatial area with a resolution beyond an Abbe limit for an emission light that emanates from the NV center or from the NV centers upon optical excitation by the Excitation light can be emitted, is scanned.

Bei einigen Ausführungsformen, bei welchen sich der Raumbereich in drei Dimensionen erstreckt, sind die Raumabschnitte jeweils Linien oder Flächen durch den Raumbereich, wobei das Licht wenigstens eindimensional aufgelöst entlang der jeweiligen Linie bzw. für die jeweilige Fläche erfasst wird.In some embodiments in which the spatial area extends in three dimensions, the spatial sections are each lines or areas through the spatial area, the light being detected at least one-dimensionally resolved along the respective line or for the respective area.

Bei einigen Ausführungsformen zur dreidimensionalen, insbesondere superauflösenden, Mikroskopie, bei welchen die Raumabschnitte jeweils Linien oder Flächen sind, weisen die Linien bzw. Flächen einen gemeinsamen zentralen Punkt auf und sind jeweils relativ zum Raumbereich um einen bestimmten ersten Schrittwinkel und um einen bestimmten zweiten Schrittwinkel gedreht. Weiterhin wird das Abbild als dreidimensionales, insbesondere superauflösendes, Abbild mittels einer dreidimensionalen, inversen Radon-Transformation bestimmt. Auch wird in einigen Varianten das Licht wenigstens zweidimensional aufgelöst über die jeweilige Fläche oder zweidimensional aufgelöst über eine (gemeinsame) Projektionsebene - etwa eine Bildebene - für die Flächen erfasst.In some embodiments for three-dimensional, in particular super-resolution, microscopy, in which the spatial sections are each lines or surfaces, the lines or surfaces have a common central point and are each rotated relative to the spatial area by a certain first step angle and a certain second step angle . Furthermore, the image is determined as a three-dimensional, in particular super-resolution, image by means of a three-dimensional, inverse Radon transformation. In some variants, the light is also recorded at least two-dimensionally resolved over the respective surface or two-dimensionally resolved over a (common) projection plane - for example an image plane - for the surfaces.

Bei einigen Ausführungsformen zur dreidimensionalen, insbesondere superauflösenden, Mikroskopie, bei welchen die Raumabschnitte jeweils Linien sind, ist der Raumbereich in mehrere Fokalebenen eines Mikroskops zum Erfassen des Lichts in den Raumabschnitten unterteilt. Dabei sind die Fokalebenen jeweils zum Raumbereich um eine bestimmte Schrittweite versetzt. Zudem liegt je Fokalebene der Fokalebenen eine Untermenge der Linien in der jeweiligen Fokalebene, wobei die jeweiligen Linien jeweils einen jeweiligen gemeinsamen zentralen Punkt aufweisen und jeweils relativ zum Raumbereich um einen bestimmten Schrittwinkel in der jeweiligen Fokalebene um den jeweiligen zentralen Punkt gedreht sind. Zudem ist das Mikroskop eingerichtet, das Licht wenigstens zweidimensional aufgelöst je Fokalebene und für die jeweiligen in der jeweiligen Fokalebene liegenden Linien zu erfassen. Außerdem wird je Fokalebene ein zweidimensionales Abbild für einen Teil des Testobjekts in der jeweiligen Fokalebene mittels einer inversen Radon-Transformation bestimmt und basierend auf den zweidimensionalen Abbildern das Abbild des Testobjekts als dreidimensionales Abbild bestimmt.In some embodiments for three-dimensional, in particular super-resolution, microscopy, in which the spatial segments are each lines, the spatial area is divided into several focal planes of a microscope for capturing the light in the spatial segments. The focal planes are each offset by a certain increment relative to the spatial area. In addition, for each focal plane of the focal planes, a subset of the lines lies in the respective focal plane, the respective lines each having a respective common central point and each being rotated relative to the spatial area by a certain step angle in the respective focal plane around the respective central point. In addition, the microscope is set up to detect the light resolved at least two-dimensionally for each focal plane and for the respective lines lying in the respective focal plane. In addition, a two-dimensional image for a part of the test object in the respective focal plane is determined for each focal plane by means of an inverse Radon transformation and the image of the test object is determined as a three-dimensional image based on the two-dimensional images.

Bei einigen Ausführungsformen, bei welchen sich der Raumbereich in drei Dimensionen erstreckt, ist der Raumbereich in Form eines Quaders oder umhüllt einen Quader, wobei der Quader eine Grundfläche von wenigstens 1 µm auf 1 µm, wenigstens 3 µm auf 10 µm, wenigstens 20 µm auf 100 µm oder wenigstens 200 µm auf 200 µm sowie eine Höhe von wenigstens 1 µm, wenigstens 10 µm oder wenigstens 150 µm aufweist. Bei einigen Varianten davon, bei welchen der Raumbereich in mehrere Fokalebenen unterteilt ist, erstrecken sich die Fokalebenen jeweils über die Grundfläche und sind entlang der Höhe - insbesondere abhängig von der gewünschten Auflösung - angeordnet. So kann etwa ein quaderförmiger Raumbereich mit einer Grundfläche von 3 µm auf 4 µm und einer Höhe von 10 µm unterteilt sein in 200 Fokalebenen mit jeweils einer Fläche von wenigstens 3 µm auf 4 µm, welche in Richtung der Höhe des Quaders jeweils einen Abstand von 50 nm zueinander haben.In some embodiments in which the spatial area extends in three dimensions, the spatial area is in the form of a cuboid or envelops a cuboid, the cuboid having a base area of at least 1 μm by 1 μm, at least 3 μm by 10 μm, at least 20 μm 100 µm or at least 200 µm by 200 µm and a height of at least 1 µm, at least 10 µm or at least 150 µm. In some variants of this, in which the spatial area is subdivided into several focal planes, the focal planes each extend over the base area and are arranged along the height - in particular depending on the desired resolution. For example, a cuboid spatial area with a base area of 3 µm by 4 µm and a height of 10 µm can be divided into 200 focal planes, each with an area of at least 3 µm by 4 µm, which in the direction of the height of the cuboid each have a distance of 50 nm to each other.

In einigen Ausführungsformen, insbesondere zur superauflösenden Mikroskopie oder zur Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums mit einer hohen Auflösung, insbesondere einer Superauflösung, wird der Raumbereich mit einer Auflösung jenseits eines Abbe-Limits für das Emissionslicht - d. h. insbesondere superauflösend - abgerastert. Entsprechend wird in einigen solcher Ausführungsformen eine jeweilige Raumausdehnung des Verschwindens des Magnetfelds bzw. der Mikrowellenstrahlung zumindest in einer Dimension begrenzt auf einer Ausdehnung, welche kleiner als das Abbe-Limit ist. Auf diese vorteilhafte Weise lässt sich eine superauflösende Auflösung, also insbesondere eine Bildgebung mit einer Auflösung jenseits des Abbe-Limits erzielen oder entsprechend eine Position des NV-Zentrums mit einer Genauigkeit jenseits des Abbe-Limits bestimmen.In some embodiments, in particular for super-resolution microscopy or to determine a position of an NV center with a high resolution, in particular a super-resolution, the spatial area is provided with a resolution beyond an Abbe limit for the emission light - i. H. especially super resolution - scanned. Correspondingly, in some such embodiments, a respective spatial extent of the disappearance of the magnetic field or of the microwave radiation is limited at least in one dimension to an extent which is smaller than the Abbe limit. In this advantageous way, a super-resolution resolution, that is to say in particular imaging with a resolution beyond the Abbe limit, can be achieved or a position of the NV center can accordingly be determined with an accuracy beyond the Abbe limit.

In einigen Ausführungsformen, insbesondere zur zweidimensionalen Mikroskopie oder zur zweidimensionalen Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums, ist der Raumbereich eine Fokalebene eines Mikroskops zum Erfassen des Lichts im Raumbereich und insbesondere des Lichts der Raumabschnitte des Raumbereichs. Auch sind in einigen Varianten die Raumabschnitte jeweils Linien in der Fokalebene, wobei das Mikroskop eingerichtet ist, das Licht wenigstens eindimensional aufgelöst entlang der jeweiligen Linie oder zweidimensional in der Fokalebene zu erfassen.In some embodiments, in particular for two-dimensional microscopy or for two-dimensional determination of a position of a NV center, the spatial area is a focal plane of a microscope for capturing the light in the spatial area and in particular the light of the spatial sections of the spatial area. In some variants, the spatial sections are each lines in the focal plane, the microscope being set up to detect the light resolved at least one-dimensionally along the respective line or two-dimensionally in the focal plane.

Bei einigen Ausführungsformen, bei welchen die Raumabschnitte Linien sind, weisen die Linien einen gemeinsamen zentralen Punkt auf und sind jeweils relativ zum Raumbereich oder zu einer vorhergehenden/benachbarten Linie um einem bestimmten Schrittwinkel gedreht. Zudem wird für eine Bildgebung, etwa zur zweidimensionalen Mikroskopie, bei einigen solcher Ausführungsformen das Abbild als zweidimensionales Abbild des Testobjekts mittels einer inversen Radon-Transformation bestimmt. Für eine Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums wird bei einigen solcher Ausführungsformen die Position des NV-Zentrums bzw. der NV-Zentren mittels einer inversen Radon-Transformation sowie - in einigen Varianten davon - mittels einer auf einem Ergebnis der inversen Radon-Transformation basierenden Mustererkennung bestimmt. Alternativ wird bei einigen solcher Ausführungsformen für die Bestimmung der Position eine Mustererkennung (unmittelbar) basierend auf dem erfassten Licht in den jeweiligen Raumabschnitten durchgeführt.In some embodiments in which the space segments are lines, the lines have a common central point and are each rotated by a certain step angle relative to the space region or to a preceding / adjacent line. In addition, for imaging, for example for two-dimensional microscopy, in some such embodiments the image is determined as a two-dimensional image of the test object by means of an inverse Radon transformation. For a determination of a position of an NV center, in some such embodiments, the position of the NV center or NV centers is used by means of an inverse Radon transformation and - in some variants thereof - by means of one based on a result of the inverse Radon transformation Pattern recognition determined. Alternatively, in some such embodiments, a pattern recognition is carried out (directly) based on the detected light in the respective space sections for the determination of the position.

In einigen Ausführungsformen umfasst das mesoskopische Festkörperelement einen Nanodiamanten oder besteht daraus, wobei der Nanodiamant ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum als das NV-Zentrum aufweist. Entsprechend umfassen in einigen Ausführungsformen die mesoskopischen Festkörperelemente der Vielzahl der mesoskopischen Festkörperelemente jeweils einen Nanodiamanten oder bestehen jeweils daraus, wobei der jeweilige Nanodiamant jeweils ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum als das jeweilige NV-Zentrum aufweist.In some embodiments, the solid-state mesoscopic element comprises or consists of a nanodiamond, the nanodiamond having a nitrogen vacancy center as the NV center. Correspondingly, in some embodiments the mesoscopic solid-state elements of the plurality of mesoscopic solid-state elements each comprise or consist of a nanodiamond, the respective nanodiamond each having a nitrogen vacancy center as the respective NV center.

In einigen Ausführungsformen wird eine vom Magnetfeld oder der Mikrowellenstrahlung abhängige Änderung des Lichts in den jeweiligen Raumabschnitten - also insbesondere dem jeweils ausgewählten Raumabschnitt - bestimmt. Dabei wird basierend auf der jeweiligen Änderung des erfassten Lichts das Abbild rekonstruiert bzw. wird die Position des NV-Zentrums bzw. werden die Positionen der NV-Zentren bestimmt.In some embodiments, a change in the light that is dependent on the magnetic field or the microwave radiation is determined in the respective space sections - that is to say in particular the respectively selected space section. In this case, the image is reconstructed based on the respective change in the detected light or the position of the NV center or the positions of the NV centers are determined.

In einigen Ausführungsformen wird zum Bestimmen der Änderung des erfassten Lichts ein Referenzbild des Lichts im Raumbereich ohne Mikrowellenstrahlung bzw. ohne Magnetfeld erfasst und die jeweilige Änderung gegenüber diesem Referenzbild bestimmt.In some embodiments, in order to determine the change in the detected light, a reference image of the light in the spatial region is recorded without microwave radiation or without a magnetic field, and the respective change with respect to this reference image is determined.

In einigen Ausführungsformen wird das Licht im jeweiligen Raumabschnitt bildgebend - etwa zweidimensional oder dreidimensional - erfasst.In some embodiments, the light in the respective spatial section is recorded using an image - for example two-dimensional or three-dimensional.

In einigen Ausführungsformen wird nur jener Raumabschnitt mit dem Anregungslicht bestrahlt, von welchem das Licht erfasst wird.In some embodiments, only that section of space is irradiated with the excitation light from which the light is detected.

In einigen Ausführungsformen weist die Mikrowellenstrahlung als den Mikrowellenfeldverlauf einen Gradienten über den Raumbereich auf, sodass die Mikrowellenstrahlung in allen Raumabschnitten außer beim Abrastern dem jeweiligen Raumabschnitt derart von zumindest im Wesentlichen Null verschieden ist, dass die Mikrowellenstrahlung die resonante Mikrowellenabsorption anregt und eine Intensität des Emissionslichts des NV-Zentrums bzw. der NV-Zentren reduziert. So kann etwa mittels eines solchen Gradienten einen Mikrowellenfeldverlauf erzeugt werden, welcher entlang einer Geraden - etwa in einer Fokalebene eines Mikroskops - verschwindet, und/oder ein solcher Gradient innerhalb des Raumbereichs zweidimensional oder dreidimensional gedreht werden.In some embodiments, the microwave radiation has a gradient over the spatial area as the microwave field curve, so that the microwave radiation in all spatial sections, except when scanning the respective spatial section, differs from at least essentially zero in such a way that the microwave radiation stimulates the resonant microwave absorption and an intensity of the emission light of the NV center or the NV centers reduced. For example, such a gradient can be used to generate a microwave field course which disappears along a straight line - for example in a focal plane of a microscope - and / or such a gradient can be rotated two-dimensionally or three-dimensionally within the spatial region.

In einigen Ausführungsformen weist das Magnetfeld als den Magnetfeldverlauf einen Gradienten über den Raumbereich auf, sodass das Magnetfeld in allen Raumabschnitten außer beim Abrastern dem jeweiligen Raumabschnitt derart von zumindest im Wesentlichen Null verschieden ist, dass das Magnetfeld jene Frequenz, bei welcher die resonante Mikrowellenabsorption beim NV-Zentrum bzw. bei den NV-Zentren auftritt, gegenüber der Frequenz der Mikrowellenstrahlung verschiebt und entsprechend ein Anregen der resonanten Mikrowellenabsorption reduziert. Entsprechend lassen sich auf diese vorteilhafte Weise Magnetfeldverläufe erzeugen, sodass das Magnetfeld entlang einer Geraden verschwindet.In some embodiments, the magnetic field has a gradient over the spatial area as the magnetic field profile, so that the magnetic field in all spatial sections, except when scanning the respective spatial section, differs from at least essentially zero in such a way that the magnetic field has the frequency at which the resonant microwave absorption in NV -Zentrum or occurs at the NV centers, shifts in relation to the frequency of the microwave radiation and accordingly reduces an excitation of the resonant microwave absorption. Correspondingly, magnetic field profiles can be generated in this advantageous manner so that the magnetic field disappears along a straight line.

In einigen Ausführungsformen wird das Magnetfeld mit einer Anti-Helmholtz-Spule erzeugt, wobei das Verschwinden des Magnetfelds im jeweiligen Raumabschnitt anhand elektrischer Ströme durch wenigstens eine Spule und eine weitere Spule der Anti-Helmholtz-Spule gesteuert wird.In some embodiments, the magnetic field is generated with an anti-Helmholtz coil, the disappearance of the magnetic field in the respective space section being controlled by means of electrical currents through at least one coil and a further coil of the anti-Helmholtz coil.

In einigen Ausführungsformen ist das Testobjekt eine biologische Zelle oder weist eine solche auf - etwa ein biologisches Gewebe mit Zellen -, wobei in die biologische Zelle oder auf die biologische Zelle eine Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen aufgebracht bzw. eingebracht wird - die biologische Zelle also etwa angefärbt wird.In some embodiments, the test object is or has a biological cell - for example a biological tissue with cells - wherein a large number of mesoscopic solid-state elements are applied or introduced into the biological cell or on the biological cell - that is, the biological cell is stained, for example becomes.

In einigen Ausführungsformen weist das mesoskopische Festkörperelement eine funktionalisierte Oberfläche auf.In some embodiments, the mesoscopic solid-state element has a functionalized surface.

In einigen Ausführungsformen wird das Licht, also insbesondere das Emissionslicht über eine vorbestimmte Zeitspanne gemittelt. Auf diese vorteilhafte Weise lässt sich - auch etwa bei Rabi-Oszillationen oder bei anderen schnellen Schwankungen der Fluoreszenz - die Auswertung, also insbesondere das Rekonstruieren des Bildes vereinfachen und/oder ressourcen-effizienter machen.In some embodiments, the light, that is to say in particular the emission light, is averaged over a predetermined period of time. In this advantageous way - also in the case of Rabi oscillations or other rapid fluctuations in fluorescence - the evaluation, that is to say in particular the reconstruction of the image, can be simplified and / or made more resource-efficient.

In einigen Ausführungsformen wird das Licht, also insbesondere das Emissionslicht mit einer Zeitauflösung erfasst, welche einer Auflösung von Rabi-Oszillationen, welche durch die Mikrowellenstrahlung verursacht werden, ermöglicht. So kann etwa das Fluoreszenzsignal proportional sein zu [ Ω ( x ) ] 2 / 4 [ Ω ( x ) ] 2 2 + γ

Figure DE102019119213A1_0001
, wobei Ω die Rabi Frequenz, x
Figure DE102019119213A1_0002
der Ort und y die Rate ist, mit welcher das Anregungslicht die Spinpolarisation bewirkt.In some embodiments, the light, that is to say in particular the emission light, is recorded with a time resolution which enables a resolution of Rabi oscillations which are caused by the microwave radiation. For example, the fluorescence signal can be proportional to [ Ω ( x ) ] 2 / 4th [ Ω ( x ) ] 2 2 + γ
Figure DE102019119213A1_0001
, where Ω is the Rabi frequency, x
Figure DE102019119213A1_0002
is the location and y is the rate at which the excitation light causes spin polarization.

Auf diese vorteilhafte Weise lässt sich die Auflösung weiter steigern.The resolution can be increased further in this advantageous way.

Um die Auflösung weiter zu steigern, wird in einigen Ausführungsformen ein gepulstes Anregungslicht, eine gepulste Mikrowellenstrahlung und/oder ein gepulstes Magnetfeld erzeugt.In order to further increase the resolution, in some embodiments a pulsed excitation light, a pulsed microwave radiation and / or a pulsed magnetic field is generated.

Um die Auflösung weiter zu steigern und/oder ein Durchführen des Verfahrens schneller zu machen und/oder ein Erfassen eines größeren Raumbereichs zu ermöglichen, wird in einigen Ausführungsformen der Raumbereich mittels eines komplexen Mikrowellenfelds oder eines komplexen Magnetfelds, welches insbesondere gleichzeitig mehrere Raumabschnitte aufweist, in welchen das jeweilige Feld verschwindet, abgerastert.In order to further increase the resolution and / or to make the implementation of the method faster and / or to enable a larger spatial area to be captured, in some embodiments the spatial area is represented by means of a complex microwave field or a complex magnetic field, which in particular has several spatial sections at the same time which the respective field disappears, scanned.

Während Ausführungsbeispiele, Anwendungsmöglichkeiten und Anwendungsbeispiele insbesondere unter Bezugnahme auf die Figuren detailliert beschrieben wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen und Anwendungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendung und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung und/oder Anwendung von mindestens einem Ausführungsbeispiel gegeben, wobei diverse Abwandlungen, insbesondere alternative oder zusätzliche Merkmale und/oder Abwandlungen der Funktion und/oder Anordnungen der beschriebenen Bestandteile, nach Wunsch des Fachmanns vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seiner rechtlichen Äquivalente abgewichen wird und/oder deren Schutzbereich verlassen wird.While exemplary embodiments, possible applications and application examples have been described in detail, in particular with reference to the figures, it should be pointed out that a large number of modifications are possible. It should also be pointed out that the exemplary designs and applications are merely examples that are not intended to limit the scope of protection, the application and the structure in any way. Rather, the preceding description provides the person skilled in the art with guidelines for the implementation and / or application of at least one exemplary embodiment, with various modifications, in particular alternative or additional features and / or modifications of the function and / or arrangements of the described components, as desired by the person skilled in the art can be made without deviating from the subject matter specified in the attached claims and its legal equivalents and / or leaving their scope of protection.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 8193808 B2 [0005]US 8193808 B2 [0005]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

  • Doherty, Marcus W.; Manson, Neil B.; Delaney, Paul; Jelezko, Fedor; Wrachtrup, Jörg; Hollenberg, Lloyd C. L. (2013-07-01). „The nitrogen-vacancy colour centre in diamond“. Physics Reports. The nitrogen-vacancy colour centre in diamond. 528 (1): 1-45) [0012]Doherty, Marcus W .; Manson, Neil B .; Delaney, Paul; Jeletsko, Fedor; Wrachtrup, Jörg; Hollenberg, Lloyd C. L. (2013-07-01). "The nitrogen-vacancy color center in diamond". Physics Reports. The nitrogen-vacancy color center in diamond. 528 (1): 1-45) [0012]
  • Rogers, L. J.; Armstrong, S.; Sellars, M. J.; Manson, N. B. (2008). „Infrared emission of the NV centre in diamond: Zeeman and uniaxial stress studies“. New Journal of Physics. 10 (10): 103024 [0031]Rogers, L. J .; Armstrong, S .; Sellars, M. J .; Manson, N.B. (2008). "Infrared emission of the NV center in diamond: Zeeman and uniaxial stress studies". New Journal of Physics. 10 (10): 103024 [0031]
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Claims (19)

Verfahren (400) zur superauflösenden Mikroskopie von einem Testobjekt (200), wobei das Testobjekt eine Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen (240) aufweist, welche jeweils wenigstens ein NV-Zentrum (140) aufweisen, und innerhalb eines Raumbereichs (320) angeordnet ist, wobei das Verfahren (400) aufweist: - (434) Bestrahlen des Raumbereichs (320) mit einem Anregungslicht (46) für die NV-Zentren (140) der Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen (240); - (438) Bestrahlen des Raumbereichs mit einer Mikrowellenstrahlung (48), deren Frequenz jener Frequenz entspricht, bei welcher eine resonante Mikrowellenabsorption ohne lokalem Magnetfeld bei den NV-Zentren (140) auftritt; - (460) Abrastern von Raumabschnitten (324, 326) des Raumbereichs (320) mit einer Auflösung jenseits eines Abbe-Limits für ein Emissionslicht (56), welches von den NV-Zentren (140) emittierbar ist, wobei je Raumabschnitt der Raumabschnitte: -- ein Magnetfeld über den Raumbereich erzeugt (466) wird mit einem Magnetfeldverlauf, sodass das Magnetfeld (80) lokal im jeweiligen Raumabschnitt (324) verschwindet und eine jeweilige Raumausdehnung des Verschwindens des Magnetfelds bei dem jeweiligen Raumabschnitt zumindest in einer Dimension begrenzt ist auf eine Ausdehnung, welche kleiner als das Abbe-Limit ist, oder die Mikrowellenstrahlung (48) zum Bestrahlen so erzeugt (468) wird, dass diese einen Mikrowellenfeldverlauf aufweist, lokal im jeweiligen Raumabschnitt (324) verschwindet und eine jeweilige Raumausdehnung des Verschwindens der Mikrowellenstrahlung (48) bei dem jeweiligen Raumabschnitt (324) zumindest in einer Dimension begrenzt ist auf eine Ausdehnung, welche kleiner als das Abbe-Limit ist; und -- (465) ein Licht (56, 305) im jeweiligen Raumabschnitt (324) zumindest in einem Spektralbereich optisch erfasst wird, welcher dem Emissionslicht (56) entspricht; - (490) Rekonstruieren eines Abbildes des Testobjekts (200) basierend auf den Raumabschnitten (324, 326) und dem in den jeweiligen Raumabschnitten (324, 326) erfassten Licht (56, 305).Method (400) for super-resolution microscopy of a test object (200), wherein the test object has a plurality of mesoscopic solid-state elements (240), each of which has at least one NV center (140), and is arranged within a spatial region (320), wherein the method (400) comprises: - (434) irradiating the spatial region (320) with an excitation light (46) for the NV centers (140) of the plurality of mesoscopic solid-state elements (240); - (438) irradiating the spatial region with microwave radiation (48), the frequency of which corresponds to that frequency at which resonant microwave absorption occurs without a local magnetic field at the NV centers (140); - (460) Scanning of space sections (324, 326) of the space area (320) with a resolution beyond an Abbe limit for an emission light (56) which can be emitted by the NV centers (140), with each space section of the space sections: - A magnetic field over the spatial area is generated (466) with a magnetic field profile, so that the magnetic field (80) locally disappears in the respective spatial section (324) and a respective spatial extent of the disappearance of the magnetic field in the respective spatial section is limited to at least one dimension Expansion that is smaller than the Abbe limit, or the microwave radiation (48) for irradiation is generated (468) in such a way that it has a microwave field course, disappears locally in the respective spatial section (324) and a respective spatial expansion of the disappearance of the microwave radiation (48 ) in the case of the respective space section (324), at least one dimension is limited to an extent which is smaller than the Abbe limit; and - (465) a light (56, 305) in the respective spatial section (324) is optically detected at least in a spectral range which corresponds to the emission light (56); - (490) Reconstructing an image of the test object (200) based on the space sections (324, 326) and the light (56, 305) detected in the respective space sections (324, 326). Verfahren (400) zur dreidimensional superauflösenden Mikroskopie gemäß Anspruch 1, wobei sich der Raumbereich (320) in drei Dimensionen erstreckt und die Raumabschnitte jeweils Linien (324, 326) oder Flächen durch den Raumbereich (320) sind, wobei das Licht (56,305) wenigstens eindimensional aufgelöst entlang der jeweiligen Linie bzw. für die jeweilige Fläche erfasst wird (465).Method (400) for three-dimensional super-resolution microscopy according to Claim 1 , wherein the spatial area (320) extends in three dimensions and the spatial sections are each lines (324, 326) or areas through the spatial area (320), the light (56,305) resolved at least one-dimensionally along the respective line or for the respective Area is recorded (465). Verfahren (400) gemäß Anspruch 2, wobei: die Linien bzw. Flächen einen gemeinsamen zentralen Punkt (328) aufweisen und jeweils relativ zum Raumbereich (320) um einen bestimmten ersten Schrittwinkel und einen bestimmten zweiten Schrittwinkel gedreht sind; und (490) das Abbild als dreidimensionales Abbild mittels einer dreidimensionalen, inversen Radon-Transformation bestimmt wird.Method (400) according to Claim 2 wherein: the lines or areas have a common central point (328) and are each rotated relative to the spatial region (320) by a specific first step angle and a specific second step angle; and (490) the image is determined as a three-dimensional image by means of a three-dimensional, inverse Radon transformation. Verfahren (400) gemäß Anspruch 2, wobei: der Raumbereich (320) in mehrere Fokalebenen eines Mikroskops (300) zum Erfassen des Lichts in den Raumabschnitten unterteilt ist; die Fokalebenen jeweils relativ zum Raumbereich um eine bestimmte Schrittweite versetzt sind; je Fokalebene der Fokalebenen eine Untermenge der Linien (324, 326) in der jeweiligen Fokalebene liegt und die jeweiligen Linien jeweils einen jeweiligen gemeinsamen zentralen Punkt (328) aufweisen und jeweils relativ zum Raumbereich (320) um einen bestimmten Schrittwinkel in der jeweiligen Fokalebene um den jeweiligen zentralen Punkt (328) gedreht sind; das Mikroskop (300) eingerichtet ist, das Licht wenigstens zweidimensional aufgelöst je Fokalebene und für die jeweiligen in der jeweiligen Fokalebene liegenden Linien (324, 326) zu erfassen; und je Fokalebene ein zweidimensionales Abbild für einen Teil des Testobjekts (200) in der jeweiligen Fokalebene mittels einer inversen Radon-Transformation bestimmt wird und basierend auf den zweidimensionalen Abbildern das Abbild des Testobjekts (200) als dreidimensionales Abbild bestimmt (490) wird.Method (400) according to Claim 2 wherein: the spatial region (320) is divided into a plurality of focal planes of a microscope (300) for detecting the light in the spatial sections; the focal planes are each offset by a certain increment relative to the spatial area; for each focal plane of the focal planes a subset of the lines (324, 326) lies in the respective focal plane and the respective lines each have a respective common central point (328) and in each case relative to the spatial area (320) by a certain step angle in the respective focal plane around the respective central point (328) are rotated; the microscope (300) is set up to detect the light resolved at least two-dimensionally for each focal plane and for the respective lines (324, 326) lying in the respective focal plane; and for each focal plane a two-dimensional image for a part of the test object (200) in the respective focal plane is determined by means of an inverse Radon transformation and the image of the test object (200) is determined (490) as a three-dimensional image based on the two-dimensional images. Verfahren (430) zur Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums (140) von einem mesoskopischen Festkörperelement (240) innerhalb eines Raumbereichs (320), wobei das Verfahren aufweist: - (434) Bestrahlen des Raumbereichs mit einem Anregungslicht (46) für das NV-Zentrum; - (438) Bestrahlen des Raumbereichs mit einer Mikrowellenstrahlung (48), deren Frequenz jener Frequenz entspricht, bei welcher eine resonante Mikrowellenabsorption ohne lokalem Magnetfeld beim NV-Zentrum auftritt; - (460) Abrastern von Raumabschnitten (324, 326) des Raumbereichs (320), wobei je Raumabschnitt der Raumabschnitte: -- ein Magnetfeld über den Raumbereich erzeugt (466) wird mit einem Magnetfeldverlauf, sodass das Magnetfeld (80) lokal im jeweiligen Raumabschnitt (424) verschwindet, oder die Mikrowellenstrahlung (48) zum Bestrahlen so erzeugt (468) wird, dass diese einen Mikrowellenfeldverlauf aufweist und lokal im jeweiligen Raumabschnitt (324) verschwindet; und -- (465) ein Licht (56, 305) im jeweiligen Raumabschnitt (324) zumindest in einem Spektralbereich optisch erfasst wird, welcher einem vom NV-Zentrum (140) emittierten Emissionslicht (56) entspricht; - (494) Bestimmen der Position des NV-Zentrums (140) basierend auf dem erfassten Licht (305) in den jeweiligen Raumabschnitten (324, 326).Method (430) for determining a position of an NV center (140) of a mesoscopic solid-state element (240) within a spatial region (320), the method comprising: - (434) irradiating the spatial area with an excitation light (46) for the NV center; - (438) irradiating the spatial region with microwave radiation (48), the frequency of which corresponds to that frequency at which resonant microwave absorption occurs without a local magnetic field at the NV center; - (460) Scanning of space sections (324, 326) of the space area (320), with each space section of the space sections: - A magnetic field is generated over the spatial area (466) with a magnetic field curve, so that the magnetic field (80) disappears locally in the respective spatial section (424), or the microwave radiation (48) for irradiation is generated (468) in such a way that it has a microwave field curve and disappears locally in the respective space section (324); and - (465) a light (56, 305) in the respective spatial section (324) is optically detected at least in a spectral range which corresponds to an emission light (56) emitted by the NV center (140); - (494) determining the position of the NV center (140) based on the detected light (305) in the respective space sections (324, 326). Verfahren (430) gemäß Anspruch 5, wobei der Raumbereich mit einer Auflösung jenseits eines Abbe-Limits für das Emissionslicht abgerastert wird und eine jeweilige Raumausdehnung des Verschwindens des Magnetfelds bzw. der Mikrowellenstrahlung bei dem jeweiligen Raumabschnitt zumindest in einer Dimension begrenzt ist auf eine Ausdehnung, welche kleiner als das Abbe-Limit ist.Method (430) according to Claim 5 , whereby the spatial area is scanned with a resolution beyond an Abbe limit for the emission light and a respective spatial extent of the disappearance of the magnetic field or the microwave radiation in the respective spatial section is limited at least in one dimension to an extent which is smaller than the Abbe limit is. Verfahren (400, 430) gemäß Anspruch 1, 5 oder 6 wobei der Raumbereich eine Fokalebene eines Mikroskops (300) zum Erfassen des Lichts in den Raumabschnitten ist und die Raumabschnitte jeweils Linien (324, 326) in der Fokalebene sind, wobei das Mikroskop eingerichtet ist, das Licht wenigstens eindimensional aufgelöst entlang der jeweiligen Linie oder zweidimensional in der Fokalebene zu erfassen.Method (400, 430) according to Claim 1 , 5 or 6th wherein the spatial area is a focal plane of a microscope (300) for capturing the light in the spatial sections and the spatial sections are each lines (324, 326) in the focal plane, the microscope being set up to resolve the light at least one-dimensionally along the respective line or two-dimensionally to capture in the focal plane. Verfahren (400, 430) gemäß Anspruch 7, wobei: die Linien einen gemeinsamen zentralen Punkt (328) aufweisen und jeweils relativ zum Raumbereich (320) um einen bestimmten Schrittwinkel gedreht sind; und (490) das Abbild als zweidimensionales Abbild des Testobjekts (200) mittels einer inversen Radon-Transformation bestimmt wird bzw. (494) die Position des NV-Zentrums (140) mittels einer inversen Radon-Transformation und einer Mustererkennung (496) bestimmt wird.Method (400, 430) according to Claim 7 wherein: the lines have a common central point (328) and are each rotated relative to the spatial region (320) by a certain step angle; and (490) the image is determined as a two-dimensional image of the test object (200) by means of an inverse Radon transformation or (494) the position of the NV center (140) is determined by means of an inverse Radon transformation and pattern recognition (496) . Verfahren (400, 430) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: das mesoskopischen Festkörperelement (240) einen Nanodiamanten umfasst oder daraus besteht bzw. die Vielzahl der mesoskopischen Festkörperelemente (240) jeweils einen Nanodiamanten umfassen oder jeweils daraus bestehen; und der jeweilige Nanodiamant jeweils ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum als das jeweilige NV-Zentrum (140) aufweist.The method (400, 430) according to any one of the preceding claims, wherein: the mesoscopic solid-state element (240) comprises or consists of a nanodiamond or the plurality of mesoscopic solid-state elements (240) each comprise or each consist of a nanodiamond; and the respective nanodiamond in each case has a nitrogen vacancy center as the respective NV center (140). Verfahren (400, 430) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: - (472) Bestimmen einer vom Magnetfeld oder der Mikrowellenstrahlung abhängigen Änderung des Lichts in den jeweiligen Raumabschnitten (324); wobei basierend auf der jeweiligen Änderung des erfassten Lichts das Abbild rekonstruiert (490) bzw. die Position des NV-Zentrums bestimmt (494) wird.The method (400, 430) according to one of the preceding claims, further comprising: - (472) determining a change in the light in the respective space sections (324) which is dependent on the magnetic field or the microwave radiation; wherein the image is reconstructed (490) or the position of the NV center is determined (494) based on the respective change in the detected light. Verfahren (400, 430) gemäß Anspruch 10, wobei zum Bestimmen der Änderung des erfassten Lichts ein Referenzbild des Lichts im Raumbereich ohne Mikrowellenstrahlung bzw. ohne Magnetfeld erfasst (470) wird und die jeweilige Änderung gegenüber diesem Referenzbild bestimmt wird.Method (400, 430) according to Claim 10 , wherein a reference image of the light in the spatial region without microwave radiation or without a magnetic field is recorded (470) and the respective change with respect to this reference image is determined. Verfahren (400, 430) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Licht im jeweiligen Raumabschnitt bildgebend erfasst wird.The method (400, 430) according to any one of the preceding claims, wherein the light in the respective space section is captured by imaging. Verfahren (400, 430) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils nur jener Raumabschnitt (324) mit dem Anregungslicht bestrahlt wird, von welchem das Licht erfasst wird.Method (400, 430) according to one of the preceding claims, wherein in each case only that space section (324) is irradiated with the excitation light from which the light is detected. Verfahren (400, 430) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: die Mikrowellenstrahlung als den Mikrowellenfeldverlauf einen Gradienten über den Raumbereich (320) aufweist, sodass die Mikrowellenstrahlung in allen Raumabschnitten (326) außer beim Abrastern dem jeweiligen Raumabschnitt (324) derart von zumindest im Wesentlichen Null verschieden ist, dass die Mikrowellenstrahlung die resonante Mikrowellenabsorption anregt und eine Intensität des Emissionslichts des NV-Zentrums (140) bzw. der NV-Zentren (140) reduziert; oder das Magnetfeld als den Magnetfeldverlauf einen Gradienten über den Raumbereich (320) aufweist, sodass das Magnetfeld in allen Raumabschnitten (326) außer beim Abrastern dem jeweiligen Raumabschnitt (324) derart von zumindest im Wesentlichen Null verschieden ist, dass das Magnetfeld jene Frequenz, bei welcher die resonante Mikrowellenabsorption beim NV-Zentrum (140) bzw. bei den NV-Zentren (140) auftritt, gegenüber der Frequenz der Mikrowellenstrahlung verschiebt und entsprechend ein Anregen der resonanten Mikrowellenabsorption reduziert.The method (400, 430) according to any one of the preceding claims, wherein: the microwave radiation as the microwave field profile has a gradient over the spatial area (320), so that the microwave radiation in all spatial sections (326), except when scanning the respective spatial section (324), differs from at least essentially zero in such a way that the microwave radiation excites the resonant microwave absorption and an intensity of the emission light of the NV center (140) or the NV centers (140) is reduced; or the magnetic field as the magnetic field profile has a gradient over the spatial area (320), so that the magnetic field in all spatial segments (326) except when scanning the respective spatial segment (324) differs from at least essentially zero in such a way that the magnetic field has that frequency at which the resonant microwave absorption occurs at the NV center (140) or at the NV centers (140), shifts it with respect to the frequency of the microwave radiation and accordingly reduces an excitation of the resonant microwave absorption. Verfahren (400, 430) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Magnetfeld mit einer Anti-Helmholtz-Spule erzeugt wird und das Verschwinden des Magnetfelds im jeweiligen Raumabschnitt (324) anhand elektrischer Ströme durch wenigstens eine Spule und eine weitere Spule der Anti-Helmholtz-Spule gesteuert wird.Method (400, 430) according to one of the preceding claims, wherein the magnetic field is generated with an anti-Helmholtz coil and the disappearance of the magnetic field in the respective space section (324) by means of electrical currents through at least one coil and another coil of the anti-Helmholtz Coil is controlled. Verfahren (400) zur Mikroskopie basierend auf einer Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen (240), wobei jedes der Festkörperelemente (240) jeweils wenigstens ein NV-Zentrum (140) aufweist, wobei das Verfahren aufweist: - (420) Anordnen eines Testobjekts (200) innerhalb eines Raumbereichs (320), wobei das Testobjekt die Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen (240) aufweist; und - Durchführen des Verfahrens (400, 430) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweiligen NV-Zentren (140) der mesoskopischen Festkörperelemente (240) mittels des Abrasterns (460) der Raumabschnitte voneinander unterschieden und somit bildgebend aufgelöst werden.Method (400) for microscopy based on a multiplicity of mesoscopic solid-state elements (240), each of the solid-state elements (240) each having at least one NV center (140), the method comprising: - (420) arranging a test object (200) within a spatial region (320), the test object having the plurality of mesoscopic solid-state elements (240); and - Carrying out the method (400, 430) according to one of the preceding claims, the respective NV centers (140) of the mesoscopic solid-state elements (240) being distinguished from one another by means of the scanning (460) of the spatial sections and thus resolved by imaging. Verfahren (400) gemäß Anspruch 16, wobei das Testobjekt (200) eine biologische Zelle (222, 224) aufweist und das Verfahren weiterhin aufweist: - (424) Aufbringen auf und/oder Einbringen der Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen (240) in die biologische Zelle.Method (400) according to Claim 16 , wherein the test object (200) has a biological cell (222, 224) and the method further comprises: - (424) applying to and / or introducing the plurality of mesoscopic solid-state elements (240) into the biological cell. Mikroskop (300), aufweisend: einen Raumbereich (320) zur Anordnung eines Testobjekts (200); eine Lichtquelle (340) zum Bestrahlen des Raumbereichs mit einem Anregungslicht (46), mittels welchem, wenn ein Testobjekt (200) mit einer Vielzahl an je in einem mesoskopischen Festkörperelement (240) ausgebildeten NV-Zentren (140) in dem Raumbereich (320) angeordnet ist, eines oder mehrere der NV-Zentren (140) der Vielzahl an NV-Zentren optisch anregbar sind; eine Mikrowellenantennenanordnung (380) zum Bestrahlen des Raumbereiches (320) mit einer Mikrowellenstrahlung (48), deren Frequenz jener Frequenz entspricht, bei welcher ohne einem lokalen Magnetfeld (80) eine resonante Mikrowellenabsorption der NV-Zentren (140) auftritt; eine Steuerungseinrichtung (360), die eingerichtet ist, Raumabschnitte (324, 326) des Raumbereichs (320) abzurastern und dabei jeweils einen Raumabschnitt (324) der Raumabschnitte auszuwählen sowie für den jeweils ausgewählten Raumabschnitt eine Magnetfeldeinrichtung derart zu steuern, dass diese ein Magnetfeld mit einem Magnetfeldverlauf über den Raumbereich (324) erzeugt, durch welchen das Magnetfeld lokal im jeweils ausgewählten Raumabschnitt verschwindet, oder die Mikrowellenantennenanordnung (380) derart zu steuern, dass diese den Raumbereich (324) mit der Mikrowellenstrahlung derart bestrahlt, dass die Mikrowellenstrahlung einen Mikrowellenfeldverlauf aufweist und lokal im jeweils ausgewählten Raumabschnitt (324) verschwindet; eine Sensoreinrichtung (350), die eingerichtet ist, zumindest im beim Abrastern jeweils ausgewählten Raumabschnitt (324) ein von den NV-Zentren emittiertes Emissionslicht (56) zu erfassen; und eine Auswerteeinrichtung (390), die eingerichtet ist, ein zwei- oder dreidimensionales Abbild des Testobjekts (200) basierend auf dem Emissionslicht zu bestimmen, welches in den jeweiligen Raumabschnitten (324, 326) von den NV-Zentren emittiert wird.A microscope (300) comprising: a space area (320) for the arrangement of a test object (200); a light source (340) for irradiating the spatial area with an excitation light (46), by means of which, when a test object (200) with a plurality of NV centers (140) each formed in a mesoscopic solid-state element (240) is in the spatial area (320) is arranged, one or more of the NV centers (140) of the plurality of NV centers are optically excitable; a microwave antenna arrangement (380) for irradiating the spatial region (320) with microwave radiation (48), the frequency of which corresponds to that frequency at which resonant microwave absorption of the NV centers (140) occurs without a local magnetic field (80); a control device (360) which is set up to scan space sections (324, 326) of the space area (320) and select a space section (324) of the space sections and to control a magnetic field device for the respectively selected space section in such a way that it has a magnetic field a magnetic field profile is generated over the spatial area (324), through which the magnetic field disappears locally in the respectively selected spatial section, or to control the microwave antenna arrangement (380) such that it irradiates the spatial area (324) with the microwave radiation in such a way that the microwave radiation has a microwave field profile and disappears locally in the respectively selected space section (324); a sensor device (350) which is set up to detect an emission light (56) emitted by the NV centers at least in the spatial section (324) selected during the scanning; and an evaluation device (390) which is set up to determine a two- or three-dimensional image of the test object (200) based on the emission light which is emitted in the respective spatial sections (324, 326) by the NV centers. Vorrichtung (300) zur Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums (140) von einem mesoskopischen Festkörperelement (240) innerhalb eines Raumbereichs, insbesondere Mikroskop (300) gemäß Anspruch 18, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, ein Verfahren (400, 430) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 auszuführen.Device (300) for determining a position of a NV center (140) of a mesoscopic solid-state element (240) within a spatial region, in particular a microscope (300) according to FIG Claim 18 , wherein the device is set up, a method (400, 430) according to one of Claims 1 to 17th execute.
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