华南师范大学在非线性荧光损耗机理及超分辨荧光显微成像领域取得突破性进展
近日,华南师范大学华南先进光电子研究院光及电磁波研究中心詹求强教授课题组在非线性荧光损耗机理及超分辨荧光显微成像领域取得突破性进展:在荧光损耗物理机理上,提出了受激辐射诱导激发损耗新机理,“拔本塞源”式对敏化能级进行损耗,从源头阻断荧光的激发能量,新机理带来的“荧光损耗放大效应”大幅降低了超分辨所需要的激光光强,在低光强条件下实现了9种不同光谱探针的荧光损耗。在超分辨成像技术上,由此发展了一种通用性强的基于单对低光强、近红外、连续波激光的多色超分辨显微成像技术,克服了传统多色STED超分辨系统所依赖的多对超快脉冲光束协同工作的复杂系统、高成本、低稳定性等问题。该成果于北京时间5月23日以“Achieving low-power single-wavelength-pair nanoscopy with NIR-II continuous-wave laser for multi-chromatic probes”为题在Nature子刊《Nature Communications》在线发表。 受激发射损耗(Stimulated emission depletion, STED)超分辨显微镜的概念由德国科学家Stefan W. Hell于1994年提出,该技术于2014年获得了诺贝尔奖。STED超分辨技术的原理是在激光共聚焦显微镜系统的基础上,额外引入一束空心环形激光光束,通过受激发射损耗荧光探针的激发态电子,将激发光斑外围的荧光信号损耗掉,从而压缩有效荧光点扩散函数,突破衍射极限提高分辨率。与其他超分辨成像技术相比,STED具有光学切片、无需计算重构、可实时成像等优点,是一种纯物理法的超分辨荧光成像技术。然而,传统STED显微镜存在原理性局限和问题:受激辐射作用如果要在与自发辐射(寿命有机染料通常为纳秒级)竞争中占主导,通常需要高功率的超短脉冲(飞秒/皮秒)激光作为损耗激光,这往往会导致严重的光漂白、光毒性和重激发背景等问题。此外,激发/损耗光的波段需要根据不同荧光探针的光谱特性进行选择,为了匹配多色探针的应用和多色超分辨成像的需求,每更换(增加)一种不同颜色的探针STED系统就要更换(增加)一对激光器的波长,超分辨成像需要对多对激光进行高精度三维空间xyz重合(纳米级)、精准的脉冲时延同步控制(纳秒级),这会导致超分辨技术和系统复杂度高、成本高、维护难。此外,这种情况下荧光探针之间的光谱重叠也会导致荧光检测通道之间的信号串扰。针对上述关键问题和重要需求,詹求强教授自2017年起带领研究生探索新机理,最终以STED原理性缺陷为突破口,提出全新机理解决了关键问题。 |