北航王帆课题组Advanced Materials: 基于光学非线性的超分辨多路复用显微镜- 大数跨境

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北航王帆课题组Advanced Materials: 基于光学非线性的超分辨多路复用显微镜

两江科技评论

2023-12-28

导读：近日，北航王帆教授课题组，联合东莞理工学院程发良、悉尼科技大学徐小雪和澳洲国立大学陈朝浩、Lan Fu等课题组，开发了“光学非线性响应”这一新维度，并且实现了基于该维度的多路复用超分辨显微镜。

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撰稿|由课题组供稿

导读

在生物学、医学、防伪和显微成像等领域，光学多路复用对纳米物体的识别和分类具有重要意义。通常，多路复用主要依赖纳米物体的荧光强度、颜色、寿命和极化等维度进行成像。近日，北航王帆教授课题组，联合东莞理工学院程发良、悉尼科技大学徐小雪和澳洲国立大学陈朝浩、Lan Fu等课题组，开发了“光学非线性响应”这一新维度，并且实现了基于该维度的多路复用超分辨显微镜。该光学非线性源于稀土离子，为不同稀土离子掺杂的上转换纳米颗粒（UCNPs）提供了独特的光学指纹。通过利用涡旋光束将纳米材料的光学指纹传递到成像的点扩散函数（PSF）上，从而开发了一种鲁棒的超分辨多路复用成像策略。

首次实现了将光学非线性和荧光颜色维度相结合，单次扫描、四通道复用的纳米颗粒超分辨成像，其空间分辨率高于150 nm (1/6.5 λ)。该工作不仅为现有的多路复用成像提供了一个全新的成像维度，也为生物成像、防伪、微阵列检测、深层组织复用检测和高密度数据存储等提供新的解决方案。论文以《Optical Nonlinearity Enabled Super-Resolved Multiplexing Microscopy》为题发表于《Advanced Materials》（DOI：10.1002/adma.202308844）。丁磊博士和陈朝浩博士为共同第一作者，王帆教授、徐小雪博士、Lan Fu教授、程发良教授和陈朝浩博士为共同通讯作者。

研究背景

多路复用光学成像具有将多重信息编码到单一图像中的能力，可以实现高的信息密度，并能够同时识别多个目标化学物质和生物分子，这在数据存储、防伪和生物系统等领域具有广泛应用。将多路复用成像和超分辨显微技术结合可以超越传统光学显微镜的衍射极限，使其能够在纳米尺度上实现多个目标的同时区分和成像，为纳米尺度的多路复用成像带来变革。目前，最常用的编码维度主要依赖于发射强度、颜色、寿命和偏振等，在超分辨多路复用成像中增加编码通道数量增强信息编码能力仍然是一个挑战。镧系元素掺杂的上转换纳米颗粒具有独特的非线性光学响应，尽管在超分辨成像领域引起了广泛关注，但由于其需要大量时间来进行功率依赖曲线检测，因此在多路复用超分辨成像方面尚未得到充分研究。

对此，团队利用涡旋光束激发下的非线性光学响应，开发了一种新型的超分辨多路复用显微镜。UCNPs的光学非线性根据掺杂的成分、浓度及颗粒尺寸表现出独特的“指纹”。通过分析有效PSF的变化，我们证明了利用涡旋光束点扫描方法提取光学非线性的高效方式，简化了光学设置，实现了与现有显微系统的兼容。

研究亮点

图1. 光学非线性用于多路复用成像。

在传统的维度基础上（如图1b），团队提出利用镧系离子掺杂上转换纳米颗粒光学非线性作为超分辨多路复用成像的一个新维度（图1c）。针对具有不同光学非线性的两个纳米颗粒，分别用高斯激发光和涡旋激发光进行单点扫描，可以将颗粒的非线性特征转移到成像的PSF上。其中涡旋光得到的PSF，具有很明显的差异性（如图1e），相比之下，高斯光得到的PSF差异不明显（如图1d）。

图2. 不同功率下光学非线性对PSF的影响。

团队验证了颗粒在不同激发功率下的PSF变化情况。如图2可以看出，相比高斯激发光，涡旋激发光可以使颗粒的非线性特征体现的更明显，主要体现为PSF的中心黑洞的变化。PSF的横断面曲线也可以看出，从低功率到高功率的高斯激发下，其曲线几乎看不出区别；而涡旋光下，曲线的中心下沉越来越弱，即在高功率的涡旋光激发下，颗粒的PSF接近饱和。由此可以证明，利用涡旋光可以将颗粒的非线性特征很好的传递到PSF上。

图3. 不同光学非线性导致的PSF变化及其定量标定。

针对不同镧系离子掺杂浓度的三种纳米颗粒，团队用理论模拟和实验进一步验证涡旋光对具有非线性特征颗粒识别的能力（如图3）。三种颗粒（NaYF4:20%Yb2%Tm，NaYF4:20%Yb4%Tm和NaYF4:40%Yb4%Tm）具有不同的power-dependent（Pd）曲线，即非线性。其中20Yb2Tm的颗粒，其Pd曲线的上升临界点和荧光饱和点比较早，20Yb4Tm的上升临界点和荧光饱和点是最晚的（图3b）。这些非线性特征，导致相应的颗粒在相同功率的涡旋光激发下表现出不同的PSF特点。20Yb2Tm的PSF，其三个参数FWHM（半腰宽）、iFWHM（中间黑洞的反半腰宽）和Height（中间黑洞的高度）都是最小的，而20Yb4Tm则有着最大的三个特征参数（图3e）。理论模拟（图3c）和实验数据（图3d）基本相符。

图4. 不同掺杂种类的超分辨多路复用成像。

团队接着验证了涡旋光针对不同离子种类掺杂的超分辨多路复用成像能力（如图4）。分别掺杂Tm和Er的两种纳米颗粒，具有不同的光学非线性（图4a）。在涡旋光下，其同样展现了不同的PSF特征（图4b和c），很容易实现颗粒的识别。

图5. 多通道的超分辨多路复用成像。

为进一步展示该超分辨多路复用策略的能力，团队混合了至少4种不同掺杂的纳米颗粒，在涡旋光激发下，单点扫描一次成像，实现了颗粒的识别（图5b），这是使用高斯光无法达到的。此外，该策略还可以结合颗粒的荧光颜色这一正交维度，实现双通道荧光成像，再次增强了多路成像能力。在此成像下，分辨率可以达到150nm。

总结与展望

光学非线性作为超分辨多路复用的新维度，与传统的编码维度具有正交性，因此可以极大的提升多路复用成像的编码能力，有望在复杂的生物系统和防伪、微阵列检测中纳米尺度目标物的成像和识别、非侵入性诊断中深层组织多路复用检测，以及高密度数据存储等领域发挥重要作用。

Ding, L. Chen, C., Shan, X., Liu, B., Wang, D., Du, Z., Zhao, G., Su, Q., Yang, Y., Halkon, B., Tran, T., Liao, J., Aharonovich, I., Zhang, M., Cheng, F., Fu, L., Xu, X., Wang, F., Optical Nonlinearity Enabled Super‐Resolved Multiplexing Microscopy. Adv. Mater. (2023)

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202308844

【课题组PI介绍】

王帆，教授，博士生导师，北京航空航天大学物理学院，海外高层次引进人才，主要从事生物光子学、纳米光子学、超分辨显微成像和光镊的研究。共发表SCI 文章80余篇含Nature 以及子刊13篇，第一/通讯文章含Nature Nanotech，Nature Communications，Light: Science & Applications，Optica，Nano Letters，和Advanced Materials。任中国光学学会生物医学光子学委员会青年委员，APL Photonics 青年编委，中国激光杂志社青年编委，中国稀土学报青年编委，“Frontiers in Chemistry”副编委和“European Physical Journal”客座编委。主持国自然重点支持项目、面上项目、北京市面上项目，参与科技部重点研发项目。曾获得澳大利亚青年学者奖、澳大利亚David Syme研究奖以及iCANX青年科学家奖。