Advanced Materials:基于“纳米激光探针”的窄带STED超分辨显微术

在过去的数十年中,超分辨荧光显微术帮助我们获取了大量的衍射极限以下的生物学和化学的空间细节。然而,由于荧光之间的光谱串扰,目前的超分辨显微镜技术通常一次只允许在样品上使用为数不多的几种不同的荧光标记。从最根本的物理机制上来说,这种光谱串扰来源于非相干自发辐射引起的光谱展宽。因此,像荧光染料、荧光蛋白、半导体量子点和上转换纳米颗粒等这样的传统荧光探针通常具30-100 nm的谱线宽度,这通常只允许在可见区不重叠的探针数为4-5个。解决这个问题的方法似乎很简单,即使用发射光谱窄得多的荧光探针。然而,由于量子力学和热力学中电子能级的展宽,这一方法具有根本的挑战性。

迄今为止,人类产生的光谱最窄的光发射是激光,它建立在受激发射的基础上。受激发射可以在光学微共振器中产生,称为微激光。也可以将其进一步限制在纳米尺度的等离子体子纳米腔中,称为表面等离子体子激光器(spaser)。这种具有尺寸小、发射谱线窄、生物相容性好等优点的纳米颗粒,是一种很有前途的生物探针。除了激光的产生之外,受激发射的物理效应还被应用于受激发射损耗(STED)显微镜中,通过受激发射抑制特定空间区域的自发辐射荧光来提高空间分辨率。不幸的是,目前的显微镜仍然捕获自发辐射荧光作为最终信号,这与其他方法一样遭受相同的光谱串扰。

就在最近,南京大学高兆帅、康斌等创新性的将spaser 纳米颗粒作为探针应用于超分辨受激辐射显微术中,通过收集相干的spaser信号,在spaser纳米颗粒上实现了超窄受激发射损耗(STED)超分辨显微术。相关论文在线发表在 Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201907233)。这项工作从理论和实验上论证了利用损耗光束来抑制粒子数反转的物理机制并擦除spaser发射的可行性,为基于spaser纳米颗粒的STED超分辨奠定了基础。同时,由于spaser纳米颗粒的尺寸小(47 nm),谱线窄(3.8 nm),最终在10 nm的信号获取带宽内获得了74 nm的空间分辨率。原理上来说,spaser纳米颗粒理论上可实现小于10 nm的颗粒大小,多个发射波长的spaser,除了作为生物探针之外,还有极大的潜能应用于相干光的细胞内超灵敏传感和操纵。