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全新超分辨技术——表面迁移荧光损耗

01 导读

近日，华南师范大学詹求强教授团队与新加坡国立大学刘小钢教授团队合作，在超分辨荧光显微成像领域取得重要创新性成果。他们摒弃了STED依赖高强度激光、效率低下的受激辐射实现荧光损耗的途径，提出了新颖的“表面迁移荧光损耗（SMED）”机理取代受激辐射。该机理突破了传统STED技术的原理性局限，成功将技术所需激光功率降低了3~4个数量级，实现了17 nm的成像分辨率，极大地提升了超分辨成像性能，并大幅降低了技术复杂度和系统成本。

该成果于2022年11月4日以“Super-resolution microscopy enabled by high-efficiency surface-migration emission depletion (SMED)”为题发表在Nature Communications上。

2023 | 前沿进展

02 研究背景

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STED超分辨显微技术于2014年获得诺贝尔奖，其原理是在共聚焦显微成像的基础上，引入一束空心环形光，通过受激辐射将激发光斑外围的荧光信号损耗掉，从而突破衍射极限的限制提高分辨率。与其他超分辨成像技术相比，STED具有光学切片、无需计算重构、可实时成像等优点，是一种纯物理法的超分辨荧光成像技术，在突破衍射极限的成像、传感、光刻、光存储等领域具有重要应用前景。
在STED技术中，实现荧光损耗依赖爱因斯坦提出的 “受激辐射”物理机理。然而，相比自发辐射荧光，受激辐射发生概率很低，需提供极高强度激光，这导致STED显微镜存在原理性局限和问题：成像过程通常需要高光强的超快激光作为损耗光束，导致严重的光漂白、光毒性以及技术复杂成本昂贵等问题，严重限制了STED技术的应用和普及。
针对上述前沿科学难题和重大技术发展需求，詹求强教授团队自2015年起开展相关工作，以发现全新的光控荧光损耗光物理机理作为切入点，对STED等超分辨技术进行了原理性创新，在发展高性能超分辨技术方面已取得了多项原创成果。

03 研究创新点

为实现极高效率的荧光损耗效应及超分辨成像，研究者们摒弃传统受激辐射原理，提出了新颖的“表面迁移荧光损耗（SMED）”机理，使用极低的激光功率实现了高效的荧光损耗。该机理利用荧光纳米探针的表面缺陷实现对荧光能量的高效耗散，具有与受激辐射完全不同的物理特性。
值得一提的是，表面态及表面缺陷在表面物理等研究中非常重要，在荧光纳米探针的表面存在表面缺陷等表面态，它们具有很强的能量淬灭效应，长期以来被视为降低荧光探针发光亮度的负面因素，甚至国际上有大量研究投入到抑制表面能量淬灭的工作当中。
该团队通过逆向思维“变废为宝”，提出利用表面缺陷这种极强的能量损耗体实现颠覆性的高效荧光损耗机理（图1）。
全新超分辨技术——表面迁移荧光损耗
图1 表面迁移荧光损耗（SMED）机理与极高效的荧光损耗效应
通过构建“光-物质-能量网络”机理，该团队实现了用激光对荧光中心与表面淬灭体的可逆开关控制，构筑了上转换荧光纳米探针NaGdF4: Yb/Tm验证了所提出的SMED机理和概念。其中，Gd3+网络构成了能量迁移网络，将发光中心Tm3+与探针表面实现了能量耦合，环形光作为触发开关，引导Tm3+发光能级能量向网络迁移，最终运输到表面进行能量耗散。
新颖的SMED方法为荧光损耗带来了全新效率，利用980 nm激发光与730 nm损耗光进行双光束激发，荧光损耗效率超过95%，重要参数—损耗饱和光强降低至0.18 mW/μm2（图2）。传统STED理论中该值通常为0.1~1 GW/cm2，此方法突破了传统理论限制，这也是目前上转换STED相关技术在国际上的最好记录。
全新超分辨技术——表面迁移荧光损耗图2 基于SMED机理的独特的荧光损耗过程，损耗饱和光强降低至0.18 mW/μm2，突破传统受激辐射STED的理论限制，为实现高性能超分辨成像奠定了基础
基于新颖、高效的SMED机理，研究者仅利用功率低至4.85 mW的连续、近红外环形光实现了17 nm分辨率的高质量超分辨成像（STED技术的分辨率平均水平通常在30~70 nm，而且依赖高强度脉冲激光照射）。该分辨率是上转换超分辨方向的国际最好记录，同时实现了癌细胞的亚细胞结构成像，所用激光最高光强是STED技术的千分之一或万分之一（图3）。
全新超分辨技术——表面迁移荧光损耗
图3 SMED超分辨成像：利用CW、4.85 mW损耗光即可实现17 nm分辨率（实现<80 nm分辨率仅需300 μW激光）

04 总结与展望

针对STED超分辨技术性能受限的问题，该团队选择摒弃传统受激辐射原理，采用全新的光物理过程SMED取代受激辐射，并且巧妙引入了表面缺陷这一天然的能量淬灭体完成对荧光损耗效率的提升，实现了兼具高分辨率和低功率需求两大优势的全新超分辨技术。
SMED作为詹求强教授课题组研究的最新一代上转换STED超分辨技术，继承了在超长时程成像、近红外激光、生物穿透力大、系统简单等多方面的优势。作为纯物理法的超分辨原理，SMED技术在突破衍射极限的光传感、光遗传学、光刻、光加工等前沿领域同样具有非常广泛的应用前景。
华南师范大学为该论文第一单位，华南师范大学研究生蒲锐为论文第一作者，詹求强教授与刘小钢教授为论文的共同通讯作者。参与工作的还包括中新合作双方的其他研究成员。该项目得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等项目经费的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-33726-7

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