撰稿|由课题组供稿
近日，由暨南大学、上海理工大学以及新加坡国立大学组成的国际联合研究团队在超分辨成像研究领域取得重要进展。研究成果以“基于下转移镧系纳米颗粒的连续近红外受激辐射显微技术（Continuous-wave near-infrared stimulated emission depletion microscopy using downshifting lanthanide nanoparticles）”为题，于2021年6月14日发表在《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）期刊上。新加坡国立大学梁亮亮博士、暨南大学冯紫微博士以及上海理工大学张启明教授为该工作的共同第一作者，新加坡国立大学刘小钢教授、暨南大学李向平教授以及上海理工大学顾敏院士为共同通讯作者。此外，新加坡南洋理工大学的合作者也为这项研究做出了贡献。
在众多的超分辨成像技术中，受激辐射损耗（STED）技术被广泛应用在生物领域。利用受激辐射原理，可以实现纳米级别的生物成像。然而，STED 技术仍然面临一些亟待解决的核心问题，如：使用传统荧光分子作为标记物，易漂白；荧光寿命短，需要非常高功率的损耗光，生物光毒性强；并且激发光处于可见光波段，在生物体内散射强，穿透深度浅，很难实现深层组织的超分辨成像。
为了解决以上问题，近年来科研人员开始将目光投向具有长荧光寿命的稀土纳米材料中的上转换发光探针。上转换纳米颗粒具有大的反斯托克斯位移，长荧光寿命，高稳定性，不易漂白等优势，然而上转换发光的荧光量子效率低通常低于1%，且上转换荧光处于可见光波段，限制了深层组织成像应用。因此，研究团队有别于现有技术途径，设计了掺杂钕元素的下转移镧系纳米颗粒，发展了下转移镧系全近红外超分辨成像技术。
该技术利用掺杂钕（Nd）元素的纳米颗粒作为荧光探针，激发光为808 nm抑制光为1064 nm，荧光处于850-900 nm。通过设计Nd元素的下转移纳米颗粒，晶格中的不对称振动，打破了Laporte跃迁准则，使得亚稳态能级荧光辐射速率慢，具有长荧光寿命。在没有热耦合再激发背景的情况下，能够实现显著的粒子数反转，降低了饱和光强，此时需要的饱和光强为19 kW/cm2，抑制效率为98.8%。并且掺杂Nd元素的发射体的下转移荧光量子效率可达27%，无光漂白现象。设计合成的钕元素的下转移纳米颗粒具有准四能级结构，容易受激辐射，下转移效率高。全近红外的激发、发射和抑制，保证了深层组织下超分辨成像。
图1. 利用奇偶禁跃迁介导的低速率准四能级系统的工作原理
此外，超分辨成像应用对荧光探针尺寸提出了更高要求。稀土纳米颗粒表面缺陷对下转移发光过程的影响远小于上转换发光过程，因此尤其适合发展亚10 nm的高稳定性、高亮度小尺寸荧光探针。利用上述技术，使用直径为6.68 nm的颗粒研究团队开展了超分辨生物成像应用研究。在最优条件下，可以获得亚20 nm的点扩展函数，是激发波长的42分之一。并且将Nd纳米探针标记在细胞微管上，实现了57 nm的细胞微管超分辨成像结果。全进红外的波段实现了在50 μm深层组织下，70 nm的空间分辨率。
图2. 亚细胞结构和深层组织超分辨率成像的低功率全近红外连续波STED成像
这种镧系纳米探针有望拓展STED显微技术的应用领域，使用连续光低功率照射有利于降低成像系统尺寸和成本，有望实现超小紧凑甚至便携式的STED显微系统。并且为打破近红外窗口超分辨荧光显微技术的高光强成像限制，以及开发广泛应用的新型发光纳米探针提供了新思路。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41565-021-00927-y.pdf
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