Nature：增強上轉換納米顆粒的激勵輻射用于超分辨納米顯微鏡

【背景簡介】

由于鑭系離子的亞穩態能級有利于在低的泵浦功率下建立布居反轉和增強激勵輻射，鑭系元素摻雜的玻璃和晶體載激光應用方面很有吸引力。在納米尺度上，鑭系元素摻雜上轉換納米顆粒（UCNPs）的相、維度和摻雜水平能夠被很好控制。當用近紅外光照射時，UCNPs能夠選擇性的發出一系列的可見光，靈敏度達到單個納米顆粒。

【成果簡介】

最近澳大利亞麥考瑞大學的金大勇、席鵬、Yiqing Lu（共同通訊作者）等人證明當用980nm激光照射Tm³⁺高摻雜的UCNPs時，³H₄亞穩能級上很容易實現了布居反轉，因此當再用808nm激光照射時，³H₄亞穩能級很容易發生激勵輻射，發藍色熒光的上轉換通道被抑制。利用這些性質作者實現了低功率、超分辨的成像，分辨率達到28nm。

[致歉：小編未能找到通訊作者Yiqing Lu確切的中文名字，在此比致以誠摯的歉意！]

圖1 用雙激光輻照來研究上轉換熒光

（a）Yb/Tm共摻雜的UCNPs在980nm激光（左）和980nm+808nm激光（右）輻照下能級圖；

（b）摻雜8%Tm的UCNPs在980nm激光（左）和980nm+808nm激光（右）輻照下455nm上轉換光的共焦圖，內插圖為沿著白線的熒光強度分布；

（c）摻雜1%Tm的UCNPs在980nm激光（左）和980nm+808nm激光（右）輻照下455nm上轉換光的共焦圖，內插圖為沿著白線的熒光強度分布

圖2 吸收和激勵輻射之間的競爭

（a）在980nm+808nm激光共同輻照下摻雜8%Tm的UCNPs發射450nm激光的瞬態響應（持續時間為1ms）。980nm激光的功率為1mw，而808nm激光的功率從0變到40mw；

（b）在980nm激光輻照下的UCNPs在808nm激光作用下的凈吸收（左）和激勵輻射（右）的示意圖，它們分別導致上轉換發光的抑制或增強；

（c）在980nm+808nm激光共同輻照下摻雜1%Tm的UCNPs發射450nm激光的瞬態響應（持續時間為1ms）。980nm激光的功率為1mw，而808nm激光的功率從0變到40mw

圖3 類似光雪崩效應的過程導致的布居反轉增強

（a）Yb/Tm 共摻雜UCNPs的能級圖，包括Tm³⁺發射子的交叉弛豫過程。實箭頭：激發和輻射，彎箭頭：非輻射弛豫，由點線連接起來的虛箭頭：能量轉移過程；

（b）類光子雪崩效應過程，由高摻雜的納米晶中的強烈的交叉弛豫引起。UC：上轉換，CR：交叉弛豫；

（c）8%和1%Tm摻雜UCNPs在980nm激光輻照下發射800nm激光的瞬態響應，激光打開時記為0ms，808nm激光不打開。

圖4光轉換效率與Tm摻雜濃度的關系

（a）由中間能級激勵輻射引起的455nm的耗盡比，980nm激光的強度為MW cm^?2，808nm激光的強度為從0到39 MW cm^?2，虛線為擬合曲線η= (1+ I₈₀₈/I_sat)^?1，I_sat為飽和強度；

（b）圖a中的數據用來擬合η^-1= 1+ I₈₀₈/I_sat 關系，在插圖中用所有的數據擬合，在主圖中只用低強度的數據；

（c）由圖b得到的飽和強度的導數與摻雜濃度的關系

圖5 高摻雜的UCNPs的超分辨成像

（a）上轉換-STED 超分辨成像的示意圖；

（b，c）插圖：尺寸分別為39.8 和12.9 nm的8%Tm摻雜UCNPs的TEM圖，主圖：以及它們的尺寸分布；

（d）耗盡強度增強引起的分辨率提高；

（e）40nm的8%摻雜UCNPs的共焦（左）和超分辨（右）圖；

（f）e中兩個納米顆粒之間的箭頭之間的強度分布；

（g）13nm的8%摻雜UCNPs的共焦（左）和超分辨（右）圖；

（h）g中穿過四個UCNPs的虛線的熒光強度分布。

【總結】

作者用高濃度Tm摻雜的上轉換材料實現了超分辨的成像，這項技術將在納米尺度的生物研究中發揮重要作用。

文獻鏈接：Amplified stimulated emission in upconversion nanoparticles for super-resolution nanoscopy（Nature, 2017, DOI:10.1038/nature21366）

本文由材料人生物材料組陳昭銘供稿，材料牛編輯整理。

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