最近，澳大利亚悉尼科技大学（UTS）的研究者通过对材料科学和光子物理结合，运用光学物理机制证明了单纳米颗粒的自干涉现象，并把这种现象成功运用到了轴向超分辨的探测技术实现了纳米级别的实时高速超分辨3D 追踪成像技术。该项多学科交叉的研究成果相关工作以“Axial Localization and Tracking of Self-interference Nanoparticles by Lateral Point Spread Functions”为题，发表于最新一期的《Nature Communication》 上。
▲文DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-021-22283-0
共同通讯作者：王帆博士、Oliver Benson、金大勇教授
衍射极限内的光学超分辨定位，特别是沿光轴方向的纳米级别的快速高精度定位，一直是光学显微镜的一个关键挑战。来自澳大利亚悉尼科技大学的金大勇教授研究组通过对上转换稀土纳米颗粒的研究，在实验室远场情况下首次观测到一系列独特单纳米颗粒的自干涉样式。并通过进一步实验研究和理论模拟发现，这种由纳米粒子及其镜像形成的远场自干涉特征图样的与其轴向位置密切相关， 因此，通过该现象，纳米颗粒的轴向位置信息能够有效的转移到远场的干涉模态，从而使得快速轴向的超分辨定位成为了可能，最终实现了最高定位精度可达亚纳米级别的实时超分辨定位。该成果发表在最新一起的 《自然·通讯》 Nature Communications上。
稀土上转换发光材料是一种在近红外光激发下发出可见光的发光材料，即可通过多光子机制，颗粒中的敏化剂可以吸收波长较长的红外线，将其能量传递给激活剂从而实现短波辐射，同时由于其高的化学稳定性，优异的光稳定性、窄带隙发射，在近红外激光激发下具有较强的组织穿透能力、对生物组织无损伤、无背景荧光的干扰，在生物医学等方面有着广泛的应用。悉尼科技大学金大勇教授课题组（后文简称“课题组”）前期系列工作中实现了成千上万个稀土离子在每个纳米颗粒中高浓度掺杂，从而实现了具有高光子强度，高光学稳定的单纳米颗粒发光，同时赋予纳米颗粒绝佳的非线性光学性质，这种性质可以直接用于单颗粒光纤传感，时间维度光学编码，超分辨成像和单颗粒示踪技术等方向的应用。通过对上转换纳米颗粒的成像特征的进一步研究，我们发现，镜面上的单纳米颗粒在宽场激发的情况下，在远场可以形成一系列独特的干涉图案。 在金大勇教授和王帆博士的指导下课题组进行了一系列的不同空间位置下的干涉图案的研究，并在Oliver教授的帮助下完成了自干涉理论的完善和有限元的理论模拟。最后获得了一套完备的单纳米颗粒自干涉的理论成果。
该现象的发现及理论的确定也为我们后续的超分辨定位提供了重要的保证。通过对单纳米颗粒自干涉图案的进一步分析发现，自干涉图样主要取决于单纳米颗粒及其镜像的相位差（其中包括传播, Gouy phase 和反射引起的相位差 ），因此其在远场的干涉样式与纳米颗粒的轴向位置高度相关。这个结果令人兴奋，利用该现象，我们不但可以通过快速的提取干涉图案的特征值从而获取纳米颗粒精确的轴向信息，同时由于上转换颗粒的高光学稳定性和亮度，使得实时超分辨3D的纳米颗粒追踪成为了可能。该方法有潜力在芯片环境中追踪活细胞或器官中生物分子的快速运动，同时单个纳米粒子的自干涉效应也为实时区分单个偶极子取向提供了新的方法。
上文简述了通过自干涉上转换纳米粒子的横向点扩散函数的转移进行轴向实时超分辨定位技术的形成和发展。在这个工作中金大勇教授和王帆博士作为导师起到了至关重要的作用。他们用深，广的知识储备构架了文章的逻辑性。博士生刘永焘在此工作中起到了非常重要的作用，他扎实的光学系统搭建功底以及良好的上转换纳米的理论模拟背景保证了工作的质量以及较快的科研周期。王帆博士基于扎实的光学系统以及材料理论功底构建了该项目的理论框架。这个工作也体现了跨学校多课题组合作的重要性，柏林洪堡大学的Oliver Benson教授为该项目的理论模拟提供了强有力的技术支持。最终通过大家多年的努力，从纳米颗粒自干涉出发，结合上转化的发光特点以及自干涉的特征，为实时的3D纳米颗粒追踪提供了一套新的技术方案，并且完成了一套完整的纳米粒子自干涉的理论和模拟结果。
▲Figure 1 | Spatial self-interference of UCNPs on a mirror substrate. (a) A single UCNP is placed on a mirror substrate with a silica layer as the spacer. Calculations of self-interference of dipole emitters with different orientations on a mirror substrate were performed with a finite element Maxwell’s equation solver (JCMwave) for a SiO2 spacer layer with a spacing of 154.9 nm. (i), (ii) and (iii) show different cuts through the far-field PSFs of self-interference patterns of oriented dipoles oscillating along the x, y and z-axis, respectively. (b) The total emission field from the self-interference field of x-, y- and z-dipoles. (c) Wide-field fluorescence image of UCNPs in the configuration (a) with UCNP-to-mirror distance (spacing) of 154.9 nm. (d) Wide-field fluorescence image of UCNPs on a cover glass surface. The scale bar in (c) and (d) are 500 nm. The measured emission spectrum from a single UCNP on (e) a mirror substrate with a spacing of 154.9 nm and (f) a cover glass surface.
研究团队首先通过对比单颗粒在特定镜面上和非镜面衬底上的远场点扩散函数。从而发现了在镜面衬底的情况下，由于镜像与单颗粒荧光的相位差异，从而在远场形成特殊的干涉图案。尽管偶极子的近场辐射模型已经很完备，但是经过高的数值孔径的远场还很难进行数学描述。因此，为了更加深入的了解这种现象，我们通过有限元分析的方法成功的对该现象进行了数值模拟并建立了一个完备偶极子辐射模型。
▲Figure 2 | Comparison of simulated and experimental distance-dependent far-field PSFs of UCNPs’ emission self-interference. The UCNP-to-mirror distance d (see inset in ai) increases from the left to the right column as indicated from 71.6 nm to 483.9 nm. (ai-li) The simulated PSFs of the self-interference for a particle on a mirror substrate with spacing distances of 71.6 nm, 140 nm 154.9 nm, 214.7 nm, 326.9 nm, and 483.9 nm, at the x-y plane (ai-fi) and y-z plane (gi-li). (aii-lii) The experimentally measured PSFs of the upconversion emission self-interference for UCNPs on a mirror substrate with the distance of 71.6 nm, 133.6 nm 154.9 nm, 214.7 nm, 326.9 nm, and 483.9 nm away from the mirror surface, at the x-y plane (aii-fii) and y-z plane (gii-lii). All scale bars in Figure 2 are 500 nm.
通过数值模拟，我们获取了一系列的干涉图样如图二所示。实验上逐渐调整颗粒与镜像之间的距离，从而发现干涉相长和相消交替出现。实验结果和模拟结果的吻合，进一步证实了我们对纳米尺度的自干涉想象的解释。
▲Figure 3 | Features and quantitative analysis of the series of observed lateral PSFs used for determining the distance between UCNP and mirror. (a-f) Cross-section line profiles of the lateral PSF of UCNPs (shown as insets) for six different spacings. (g-j) The four characteristic parameters, including FWHM, iFWHM, Area, and Depth, respectively, were measured as a function of the distance between UCNP and mirror. All scale bars in Figure 3 are 500 nm.
紧接着，我们通过从这一系列的PSF中提取特征值，并将它们与纳米颗粒的空间位置关联起来，通过建立标定曲线如图三所示，结合中心点拟合，可以精确的推导出纳米的空间位置。特别是在曲线值变化剧烈的区间，呈现出非常高的z轴分辨率。值得注意的是，自干涉效应在不同的介质中发生有着很高的普适性，包括水和空气，尽管校准曲线依赖于介质的折射率，该折射率进一步改变了反射光的相位。
▲Figure 4 | Wide-field video-rate distance sensing using lateral PSFs of upconversion emission self-interference. (a) The schematic shows the single UCNPs on a fabricated step structure using different thickness of SiO2 on an Ag mirror substrate. (b) Atomic force microscopy (AFM) images show the measured heights of the three steps as 88.2+/-0.8 nm, 105.4+/-1.7 nm, and 115.4+/-1.8 nm, respectively. The heights are measured by averaging the multiple positions within the region. (c) Wide-field images of UCNPs on Steps 1(ii), Step 2(i) and Step 3(iii) within the coloured square area in (b). (d)-(g) is the distance sensing results by measuring the four typical characteristic parameters of the lateral PSFs. (h) 3D trajectories of a UCNP in glycerol solution, observed for 13 seconds. (i) Cumulative displacement and (j) mean-square displacement (MSD) analysis of the UCNPs.
最终为了进一步验证其z轴分辨能力，研究团队把UCNPs颗粒分散在阶梯状的镜面上。由于自干涉的效应，z轴的轻微导致远场PSF有了显著差别。我们利用PSF的特征曲线，取得了和AFM几乎一致的距离探测结果。其探测速率高到50Hz。这是单点扫描技术或者基于寿命或者频谱的方法所无法达到的。由于该系统的失焦免疫效果，我们进一步展示了其对纳米颗粒在甘油溶液中3D追踪能力如图4所示。因为不需要锁定焦面仍能准确提取出准确的轴向位置。因此，我们的方法有潜力在芯片环境中追踪活细胞或器官中生物分子的快速运动。
通过高掺杂的稀土离子的荧光增强以及上转化的窄带辐射，从而发现并证明了单颗粒荧光辐射上转换的自干涉现象。实现了远场的横向PSF的调控以及快速识别。我们的结果表明，他它的探测速度比其他基于荧光光谱映射的自干涉方法要快得多，最高轴向精度和速度可达到快速50Hz帧率和2.8 nm。本工作中所展示的技术可以用于多模态单粒子跟踪。同时也为实时区分单个偶极子的取向提供了新的方法和思路。
金大勇，悉尼科技大学杰出教授和南方科技大学讲席教授。2007年博士毕业于麦考瑞大学，2015年任悉尼科技大学教授，2017 年任杰出教授，2019年任南方科技大学讲席教授。作为所长，他五年内先后组建了澳洲科研基金委资助的可集成生物医学器件与技术转化中心，中澳科学与研究基金资助的便携式体外诊断技术联合研究中心，悉尼科大-南科大生物医学材料和器件联合研究中心, 和悉尼科大生物医学材料及仪器研究所。金大勇教授已发表SCI高水平论文150余篇、其中包括Nature及其子刊25篇。他的专业领域涵盖了生物工程光学、纳米探针技术、生物医疗诊断、精密光学仪器、微流控芯片等领域。并于2015年荣获澳洲科研最高奖尤里卡奖交叉学科创新奖，2016年当选澳大利亚百名科技创新领军人物，2017年荣获澳洲科学院工程科学奖，以及2017年荣获澳大利亚总理奖 - 年度理学家奖。
https://www.wxwenku.com/d/108750009
王帆博士于2014年在澳洲新南威尔士大学获得博士学位。博士期间，他致力于研究光镊操作纳米颗粒的研究。之后，王博士于2013年加入澳洲国立大学Prof Chennupati Jagadish (澳洲物理工程学院院士) 课题组，负责领导和管理光学方向。期间从事纳米激光，二维材料以及凝聚态物理的研究。从2015年开始，王博士开始转向生物光子学，加入了麦考瑞大学澳洲纳米光子学国家研究中心，以及金大勇课题组。期间负责领导课题组的生物光子学方向，博士生导师。同年加入悉尼科技大学金大勇教授团队，以及生物材料器件中心（IBMD）, 继续担任生物光子学方向的负责人，博士生导师。并且开始帮助金大勇教授组建在悉尼科技大学的初始团队。王博士于2020年在悉尼科技大学电子工程系成立课题组进行光镊、激光制冷以及器件化超分辨成像技术的研究。王帆博士一共发表了SCI 论文62篇，其中包括Nature及其子刊13篇。
金大勇课题组以及王帆博士课题组诚招有从事生物光子学意向的优秀硕士以及博士学生。
刘永焘博士毕业于年澳洲悉尼科技大学，目前在悉尼科技大学从事博士后工作，博士期间，从他致力于光学超分辨成像系统，单纳米颗粒物理特性表征以及纳米传感器的开发和研究，在超分辨成像研究中，其主要集中于超分辨技术的发展，以提高这些成像技术的速度、分辨率和穿透深度，从而满足高散射生物材料的应用，如类组织细胞。他还开发了新的实时超分辨率3D传感技术，为实时的单纳米颗粒追踪以及纳米载药的研究提供了工具。刘永焘博士以第一作者或合著作者在《Nature photonics》、《nature nanotechnology》、《Nature communication》等同行评审期刊上发表论文数篇。
来源：研之成理
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