研究团队仅用30mW连续激光实现超分辨率成像

近日，澳大利亚麦考瑞大学的金大勇教授、陆怡青、北京大学席鹏教授（共同通讯作者）等人用高浓度稀土铥离子（Tm3+）掺杂的上转换材料实现了超分辨的成像，相关成果“Amplified stimulated emission in upconversion nanoparticles for super-resolution nanoscopy”于2月22日发表在《自然》期刊上（Nature, 2017, DOI:10.1038/nature21366）。该研究通过高掺稀土上转换纳米粒子（UCNPs），将传统超分辨的光强降低了2-3个数量级，并揭示了由光子雪崩效应带来的受激辐射增强机制。这一机制使得研究团队仅用30 mW的连续激光，即可实现28 nm的超分辨，仅为激发波长的1/36。

由于波动衍射的限制，光学显微的分辨率被约束在200 nm以上，而细胞内的亚细胞器大小约为1-50 nm。超分辨技术因其能够突破衍射极限，提供亚细胞器更精细的信息而获得2014年诺贝尔奖。其中，受激辐射光淬灭（STED）这一超分辨技术能够提供快速的超分辨率成像而备受生物学家青睐。

但是，这一技术的一个弊端是，由于它需要在焦点附近形成“激光”来擦除荧光，造成所需要的光功率过大，影响细胞的活性和生物特性。同时，高功率的激光器本身的成本和维护的复杂性成为这一技术普及的壁垒。为此，寻找优化的路径来降低光功率的需求，实现低功率下的超分辨，将不仅能够使其更好地揭示活细胞的精细结构与功能，且能够让这一技术在更多实验室得到广泛应用。

在该工作中，研究者采用了一种粒径仅为40 nm的稀土纳米粒子，利用其能级特性，通过中间能级淬灭实现了超低功率超分辨。传统的STED由于限制在荧光的两个能级上，因此需要的功率较强。而稀土纳米粒子具有极为丰富的中间能级，通过适当选择中间能级，可以达到“四两拨千斤”的效果，用极低功率即可诱导淬灭。同时，研究者发现，只有在高掺纳米粒子上才会体现这一效应，而低掺纳米粒子则无法有效消光。通过对掺杂浓度和消光比的研究，科学家揭示了其中的光子雪崩效应。与共振能量传递相比，这一效应体现了更高的非线性。

利用30 mW的低功率在上转换纳米粒子上实现了28 nm的光学分辨率

作者表示，结合稀土上转换纳米粒子的荧光特性和中间能级受激辐射淬灭的机理，他们在40 nm和13 nm的单颗粒样品上，均实现了28 nm的超高光学分辨率；同时，由于上转换纳米粒子采用近红外光实现激发，这一发现将有助于其在深层组织上实现三维超分辨。