超分辨成像显微镜的出现为生物学研究带来了新的技术,使我们能够利用远场光学的方法无侵入地对小于衍射极限尺度的细胞器等进行观察。经过多年的发展,如今的超分辨技术朝着更精细、更快速、3D成像、更深的穿透深度、更低价等方向迈进,为生物学及医学研究做出了突出的贡献。荧光标记是大多超分辨成像中必要的组成之一,探索更加明亮且稳定的荧光标记的步伐也从未停止。金刚石中的NV色心是重要的固态自旋体系,其优良的光学与自旋特性使其在各类研究取得了瞩目的成果:基于其稳定的荧光与生物相容性,NV色心已用于超分辨成像中取得了几纳米的空间分辨率,并在复杂的生物系统中实现了超分辨成像与传感;利用其电子自旋的物理场敏感特性,已实现了高精度的磁场、电场及温度场的测量;由于其室温下的长相干时间,基于NV色心的量子比特调控也取得了良好的成果。然而,NV色心的物理特性还有许多值得探究的地方,同时基于NV色心的应用也充满前景。在对NV色心的结构及物理性质进行研究的过程中,其电荷态转换这一复杂过程引起了研究者的注意。在NV色心的传感与成像中大多使用其负电荷态NV-,然而在光学激发的过程中,电荷态转换在大多情况下是不可避免的,这对基于NV-的量子操控应用有着不利的影响,因此对NV色心的电荷态转换过程的研究是十分重要的。在本文中我们将细致的研究NV色心电荷态的动力学过程,并用于成像与传感中,主要工作如下:1.首先我们探究了近红外光对电荷态及受激辐射的调控。在先前的工作中发现近红外光激发可以调制NV色心的电荷态转换,同时近红外光也可以激发NV色心的受激辐射,是基于NV色心的STED成像中必要的耗尽光。我们通过荧光测量、电荷态布居读出以及时域发射分析等方法细致的探讨了 NIR激发下电荷态转换与受激辐射过程的竞争关系,并在STED成像过程中展现了电荷态转换对成像的影响。这项工作推进了对NV色心电荷态及能级物理过程的深刻理解,也为基于NV色心的STED超分辨成像提供了参考。2.利用反常饱和激发实现了超分辨。电荷态转换带来的另一影响便是NV色心的自旋退极化。由于NV色心的退极化将导致荧光的反常饱和,我们的研究发现反常饱和带来的非线性空间信息高于传统饱和现象;因此,基于NV色心的反常饱和激发我们提出了一种简单而又实用的超分辨成像方法。通过对共聚焦光路中激光功率的同步调制,利用微分激发的方式同步获得含有不同空间信息的图像,由简单计算即可实现分辨率1.6倍的提升。该方法简洁而快速,在系综中也验证了其超分辨的成像能力。3.我们测量了纳米金刚石中NV色心电荷态对pH的响应,并设计了细胞内pH传感方案。由于NV色心的电荷态可以通过表面费米能级来调控,通过不同的表面终端可以改变其表面费米能级从而改变电荷态布居。在这样的理论基础上,我们探究FND中NV色心电荷态转换对环境pH的响应,并初步得到pH增大的过程中电荷态转换速率加快的结论。基于已有的数据与结论,本文设计了利用FND进行细胞内pH传感的方案,将NV色心的传感特性与超分辨特性进行了结合。我们的工作进一步的加深了对NV色心电荷态动力学的理解,也扩展了 NV色心电荷态转换的应用。通过其反常饱和现象,我们实现了简介快速的非线性激发超分辨;利用其表面电荷态,局域pH传感的方法也被提出,为细胞内环境的成像与传感提供了方法。我们期望NV色心能在细胞生物学研究中发挥其潜在价值,在实现超分辨的同时也能进行高精度的内环境传感。