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
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
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:
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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.
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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.
In
Ausgehend von
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
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
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
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.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Mikroskop
In
In einem Ausführungsbeispiel weist das Mikroskop
Das Mikroskop
Das Mikroskop
Das Mikroskop
In einigen Varianten ist die Sensoreinrichtung
In einigen Weiterbildungen weist das Mikroskop
In einigen Weiterbildungen weist das Mikroskop
Das Mikroskop
In
In einem Ausführungsbeispiel sind die Raumabschnitte
Entsprechend sind in einem Ausführungsbeispiel für eine dreidimensionale Mikroskopie die Raumabschnitte
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
Bei einigen Weiterbildungen ist die Mikrowellenantennenanordnung
Bei einigen Weiterbildungen ist die Mikrowellenantennenanordnung
In
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
In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren
Dabei kann in einigen Varianten ein Mikroskop gemäß der Erfindung, insbesondere ein bezüglich
Im Verfahrensschritt
Im Verfahrensschritt
Im Verfahrensschritt
Im Verfahrensschritt
Im Verfahrensschritt
Im Verfahrensschritt
Im Verfahrensschritt
Bei Verfahrensbedingung
Im Verfahrensschritt
Wie dargestellt kann das Verfahren
In einigen Abwandlungen des Verfahrens
In einem Ausführungsbeispiel entspricht das Verfahren zumindest im Wesentlichen und sofern nichts anderes beschrieben ist dem Verfahren
In einem Ausführungsbeispiel basiert das Verfahren
Dazu wird im Verfahrensschritt
Im Verfahrensschritt
Im Verfahrensschritt
Im Verfahrensschritt
Im Verfahrensschritt
Im Verfahrensschritt
Im Verfahrensschritt
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
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 8193808 B2 [0005]US 8193808 B2 [0005]
Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
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