日前，國際權威學術期刊《自然》發表了上海交通大學生命科學技術學院與澳大利亞麥考瑞大學、北京大學合作在光學超分辨顯微領域方面取得的重要突破“Amplified stimulated emission in upconversion nanoparticles for super-resolution nanoscopy”。生物醫學工程學科方向的博士生劉宇嘉與麥考瑞大學陸怡青博士等在高摻雜稀土上轉換納米粒子上利用光子雪崩效應帶來的受激輻射增強機制，成功實現了低受激輻射淬滅光強的超分辨結果。
論文鏈接：
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature21366.html
同傳統受激輻射淬滅超分辨光強相比，這一技術成功將淬滅光強有效降低了2-3個數量級，并利用30mw的連續激光，實現了28nm的超分辨結果。光學顯微鏡以其能夠進行活體顯微廣泛用于現代生物研究中，但受衍射限制，光學顯微的分辨率被約束在200nm附近，無法直接觀察細胞內的亞細胞結構。
近20年內，光學超分辨顯微技術的出現，有效打破了衍射極限的束縛。其中受激輻射淬滅(STED)顯微術以其直接并快速提供超分辨結果的特性，備受生物研究者的青睞，并與其它兩種超分辨技術共同獲得2014年的諾貝爾化學獎。然而，這一技術存在一定的弊端，由于需要高淬滅光強來限制激發范圍，這一技術難以用于活細胞成像。
在該工作中，研究者采用了稀土上轉換納米粒子，利用其摻雜濃度可控的特性，選擇高摻雜納米粒子，利用高摻雜激活離子距離縮短，交叉弛豫速率增快，可以有效發生光子雪崩，從而更容易誘導發生受激輻射，進而發生熒光淬滅。而低摻雜稀土上轉換納米顆粒，由于激活離子距離較遠，無法有效實現光子雪崩，所以無法有效消光。
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，研究者在40nm和13nm的單顆粒樣品上，均實現了28nm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。
該工作的共同第一作者劉宇嘉是上海交通大學生命科學技術學院和澳大利亞麥考瑞大學物理學院的聯合培養博士，導師為任秋實教授、Jim Piper教授、席鵬教授、Dayong Jin教授。共同第一作者陸怡青博士來自麥考瑞大學，共同第一作者楊旭三是北京大學工學院博士生。該工作得到澳洲ARC基金、國家自然科學基金委、國家科技部重大科學儀器專項的資助。
來源：上海交通大學、nature。編輯：明軒
