近日，澳大利亞麥考瑞大學的金大勇教授、陸怡青、北京大學席鵬教授（共同通訊作者）等人用高濃度稀土銩離子（Tm3+）摻雜的上轉換材料實現了超分辨的成像，相關成果“Amplified stimulated emission in upconversion nanoparticles for super-resolution nanoscopy”于2月22日發表在《自然》期刊上（Nature, 2017, DOI:10.1038/nature21366）。該研究通過高摻稀土上轉換納米粒子（UCNPs），將傳統超分辨的光強降低了2-3個數量級，并揭示了由光子雪崩效應帶來的受激輻射增強機制。這一機制使得研究團隊僅用30 mW的連續激光，即可實現28 nm的超分辨，僅為激發波長的1/36。
由于波動衍射的限制，光學顯微的分辨率被約束在200 nm以上，而細胞內的亞細胞器大小約為1-50 nm。超分辨技術因其能夠突破衍射極限，提供亞細胞器更精細的信息而獲得2014年諾貝爾獎。其中，受激輻射光淬滅（STED）這一超分辨技術能夠提供快速的超分辨率成像而備受生物學家青睞。
但是，這一技術的一個弊端是，由于它需要在焦點附近形成“激光”來擦除熒光，造成所需要的光功率過大，影響細胞的活性和生物特性。同時，高功率的激光器本身的成本和維護的復雜性成為這一技術普及的壁壘。為此，尋找優化的路徑來降低光功率的需求，實現低功率下的超分辨，將不僅能夠使其更好地揭示活細胞的精細結構與功能，且能夠讓這一技術在更多實驗室得到廣泛應用。
在該工作中，研究者采用了一種粒徑僅為40 nm的稀土納米粒子，利用其能級特性，通過中間能級淬滅實現了超低功率超分辨。傳統的STED由于限制在熒光的兩個能級上，因此需要的功率較強。而稀土納米粒子具有極為豐富的中間能級，通過適當選擇中間能級，可以達到“四兩撥千斤”的效果，用極低功率即可誘導淬滅。同時，研究者發現，只有在高摻納米粒子上才會體現這一效應，而低摻納米粒子則無法有效消光。通過對摻雜濃度和消光比的研究，科學家揭示了其中的光子雪崩效應。與共振能量傳遞相比，這一效應體現了更高的非線性。
利用30 mW的低功率在上轉換納米粒子上實現了28 nm的光學分辨率
作者表示，結合稀土上轉換納米粒子的熒光特性和中間能級受激輻射淬滅的機理，他們在40 nm和13 nm的單顆粒樣品上，均實現了28 nm的超高光學分辨率；同時，由于上轉換納米粒子采用近紅外光實現激發，這一發現將有助于其在深層組織上實現三維超分辨。
