【AdvancedScienceNews】南京理工大学 刘永焘 AS：受控的能量转移上转换受激辐射超分辨成像技术

创新点：团队利用上转换纳米颗粒作为荧光探针，通过研究Tm³⁺掺杂的β-NaYF₄纳米粒子的能量传递过程，构建基态关联的动态交叉驰豫能量传递，借助上转换纳米颗粒的非饱和激发成功预测高打灭效率下的理想激发功率，成功实现了基于高阶非线性共聚焦超分辨下的受激辐射超分辨成像，其分辨率可以达到33nm。

关键词：受激辐射超分辨，上转换纳米颗粒，光子雪崩，交叉弛豫能量传递

受激辐射超分辨成像技术（stimulated emission depletion microscope-STED）是一种经典的超分辨率成像技术，其优点是不需要采集后的再重建，直接使用环状光束来灭活荧光染料的外围区域，同时用高斯光束来激发环状光束中心区域未被灭活的荧光染料，从而提高成像的分辨率。但高功率的灭活光束会导致光毒性和光漂白等问题，限制了其在活细胞成像中的应用。

U-STED显微镜技术使用了一种新型纳米颗粒材料（上转换纳米颗粒UCNP）来降低高分辨率成像所需的灭活功率。这种纳米颗粒内掺有稀土敏化剂和激活剂，可以吸收近红外光子并将能量转移到高激发态，产生短波长的荧光。利用UCNP多阶梯式的中间态能级，可以实现比传统荧光染料所需的灭活光密度低两个数量级的超分辨成像。然而，确定合适的激发功率是U-STED显微镜技术的关键之一。在以往的实验中，研究人员们通过实验试错的方式来寻找最佳的激发功率，因此很难获得最佳的打灭效率和信噪比。在此基础上，该团队成员利用掺杂了Yb³⁺和Tm³⁺的β-NaYF₄纳米粒子为基础模型进行了一系列的研究，他们发现在980nm激光激发下，Tm³⁺能级之间包含三个主要的交叉弛豫能量传递过程，分别是与功率有关的CR3（¹D₂,³F₂-³H₆,³H₄），来填充¹D₂能级的CR1（¹G₄,¹D₂-³H₄,³F₄）和CR2（³H₄,¹D₂-¹G₄,³F₄）。在808nm淬灭光下，光子雪崩式耗尽发生在³H₄能级上，从而阻碍粒子向更高能级上的跃迁。在整个过程中，最关键的是与基态有关的CR3过程，此过程决定了3H4相对于基态的粒子数反转。较低的激发功率会导致较高的CR3，通过测试高激励功率下一系列功率依赖曲线的下降趋势也证明了CR3的动态反应。数值仿真表明耗尽率对于动态CR3驱动的中间态的粒子数分布是敏感的，CR3越大，³H₄上粒子数积累的越快，这为光子雪崩奠定了基础。最后通过测量以波长455nm为中心的蓝色发射的功率依赖强度曲线，观察到一个斜率跳跃的阈值，其非线性效应达到6.1阶，在这个阈值点处，耗尽率超过了泵浦率，将该点作为理想功率值点，不仅能够实现最优的受激辐射超分辨成像效果，也成功实现实现多阶的非线性共聚焦的超分辨成像。最终，团队展示了在阈值点下的共聚焦和U-STED超分辨显微成像结果。在1mW时，U-STED和共聚焦的分辨率分别可以达到极高的33nm和126.4nm（图1）。这项工作不仅为为提高U-STED的分辨率和信噪比提供了一个途径，也为人们进一步认识上转换内部能量传递机理提供了方法。

刘永焘教授/金大勇院士（澳洲）团队长期致力于上转换成像及其在生物医学中的应用研究，本项目成果不仅拓展了受激辐射超分辨成像的认识，同时也对上转换能量转移的内在物理机制有了更加充分的了解。刘永焘教授，周佳佳研究员（澳洲）和金大勇院士（澳洲）为该文的通讯作者。

论文信息：

Population Control of Upconversion Energy Transfer for Stimulation Emission Depletion Nanoscopy

Yongtao Liu*, Shihui Wen, Fan Wang, Chao Zuo, Chaohao Chen, Jiajia Zhou*, Dayong Jin*

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202205990‍

来源 | AdvancedScienceNews

排版 | 孙菲

复审 | 左超

终审 | 徐峰