上海交通大学在光学超分辨显微领域取得重要突破

日前,国际权威学术期刊《自然》(Nature)发表了上海交通大学生命科学技术学院与澳大利亚麦考瑞大学、北京大学合作在光学超分辨显微领域方面取得的重要突破“Amplified stimulated emission in upconversion nanoparticles for super-resolution nanoscopy”。生物医学工程学科方向的博士生刘宇嘉与麦考瑞大学陆怡青博士等在高掺杂稀土上转换纳米粒子上利用光子雪崩效应带来的受激辐射增强机制,成功实现了低受激辐射淬灭光强的超分辨结果。同传统受激辐射淬灭超分辨光强相比,这一技术成功将淬灭光强有效降低了2-3个数量级,并利用30mw的连续激光,实现了28nm的超分辨结果。

光学显微镜以其能够进行活体显微广泛用于现代生物研究中,但受衍射限制,光学显微的分辨率被约束在200nm附近,无法直接观察细胞内的亚细胞结构。近20年内,光学超分辨显微技术的出现,有效打破了衍射极限的束缚。其中受激辐射淬灭(STED)显微术以其直接并快速提供超分辨结果的特性,备受生物研究者的青睐,并与其它两种超分辨技术共同获得2014年的诺贝尔化学奖。然而,这一技术存在一定的弊端,由于需要高淬灭光强来限制激发范围,这一技术难以用于活细胞成像。

在本工作中,研究者采用了稀土上转换纳米粒子,利用其掺杂浓度可控的特性,选择高掺杂纳米粒子,利用高掺杂激活离子距离缩短,交叉弛豫速率增快,可以有效发生光子雪崩,从而更容易诱导发生受激辐射,进而发生荧光淬灭。而低掺杂稀土上转换纳米颗粒,由于激活离子距离较远,无法有效实现光子雪崩,所以无法有效消光。结合稀土上转换纳米粒子的荧光特性和中间能级受激辐射淬灭的机理,研究者在40nm和13nm的单颗粒样品上,均实现了28nm的超高光学分辨率。同时,由于上转换纳米粒子采用近红外光实现激发,这一发现将有助于其在深层组织上实现三维超分辨。

本工作的共同第一作者刘宇嘉是上海交通大学生命科学技术学院和澳大利亚麦考瑞大学物理学院的联合培养博士,导师为任秋实教授、Jim Piper教授、席鹏教授、Dayong Jin教授。共同第一作者陆怡青博士来自麦考瑞大学,共同第一作者杨旭三是北京大学工学院博士生。该工作得到了澳洲ARC基金、国家自然科学基金委、国家科技部重大科学仪器专项的资助。

教师登录

站内搜索