Advanced Materials:异色非线性响应的上转换超分辨成像

显微镜的发明为人们揭示了非常丰富的微观世界,并且在生命科学研究以及医学研究得到广泛应用。但是,由于光的波动性而带来的光学衍射极限,限制了人类对微观世界的进一步探索。2014年,超分辨荧光成像技术因其能够突破光学衍射极限的限制,为生命科学研究带来全新的观察尺度而获得了诺贝尔奖。在过去的十年里,纳米材料技术的快速发展,推动着生物光子学等诸多领域进行新的变革。多功能的纳米材料不断涌现,利用这些纳米探针开发新的超分辨成像技术,是当前的研究前沿热点。

悉尼科技大学生物材料与仪器研究所陈朝浩博士、王帆博士、金大勇教授等利用稀土离子丰富的中间能级能量传输特性,开发异色非线性饱和响应的上转换纳米探针,实现了单一激发状态下得到多色不同的点扩散函数,并提出多色傅里叶平面融合算法,以提升光学系统对样品信号的频移解析能力,获得更优质的超分辨成像。

利用荧光探针的非线性响应特性,进行点扩散函数的调控,以扩展光学系统的图像空间信息解析能力,是当前实现超分辨成像的一个重要手段之一。但通常这些技术需要复杂的光学系统来满足特定的激发条件,限制了此类超分辨显微镜在材料科学和生物医学领域广泛应用。本文报道了一种只需要一束“Doughnut”光束(高斯贝塞尔光束)扫描上转换纳米颗粒,就可以提高超分辨成像整体质量和速度的方法。

图 单一激发状态下得到多色不同的点扩散函数。

上转换纳米颗粒作为一种新型的多光子探针,包含数千个共掺杂的镧系稀土离子,这些离子形成光子敏化剂(镱离子,Yb3+)和激活剂(铥离子,Tm3+)的网络,能将近红外转换为较短波长的近红外、可见光和紫外发射的独特光学特性。掺杂的Tm3+离子具有多个长寿命态的中间能级,可以像“阶梯”一样工作,支持不同能级之间的能量传递。这种特殊的能级结构实现了单个上转换纳米颗粒的多色荧光发射,而且从不同中间激发态发射的荧光,有着不同的非线性饱和响应。课题组利用这一特性,通过采集纳米颗粒的四光子荧光(1D23H4,740纳米),得到“Doughnut”点扩散函数。同时,由于双光子荧光(3H43H6,800纳米)已过饱和,采集该波段可以得到“类Gaussian”点扩散函数,最终实现了单一激发状态下得到多色的不同点扩散函数(如图1)。

图点扩散函数的空间频率解析能力的差异。

课题组通过分析点扩散函数的傅里叶平面,即光学传递函数(OTF),发现了不同点扩散函数的空间频率解析能力的差异性(如图2)。相比较Gaussian光而言,Doughnut光能提取更多的空间高频信息,得以实现超分辨率成像。但是Doughnut光的光学传递函数在中频一定范围内会出现下坠(图2d),导致该频率上的解析能力下降。而通过分析可知,类Gaussian光可以补偿这一丢失的中/低频分量。因此,课题组提出了傅里叶域异色融合算法。该设计思路是通过点扩散函数调控技术将空间频率信息编码到由上转换纳米探针的不同激发态产生的多个彩色通道中,并根据光学传递函数分量,在每个多色通道中对图像的傅里叶域分量进行处理提取,最终对信息进行解码。该方法最大限度地覆盖了所有空间频率细节,“合成”可同时解析低频和高频信息的新点扩散函数。

图衍射极限内解析单颗粒。

课题组将这种傅里叶异色融合方法应用于单个上转换纳米颗粒的成像(图3)。通过Doughnut光束扫描,同时采集获得800纳米和740纳米处的荧光图像(图3a和b)。通过傅里叶域异色融合方法(如图3c),证明了其清晰解析衍射极限范围内纳米颗粒的能力。此外,图3d-g,对比其他几个常规的超分辨图像处理方法,进一步验证了傅里叶域异色融合方法的优越性。

图 异傅里叶域异色融合超分辨成像

此外,课题组利用傅立叶域异色融合方法来对上转换纳米颗粒组装成的图案进行成像解析。为进一步量化傅里叶域融合的分辨率,通过对比共聚焦成像(图4e)、Gaussian反卷积(图4f)、Doughnut反卷积(图4g)、减法提取(图4h)和傅里叶域融合反卷积方法(图4i),引入去相关分析方法直接测量图像整体分辨率。其中傅里叶域异色融合实现了最佳分辨率质量(106.7纳米),清晰地呈现了最佳的图像质量。

研究者相信,这项工作为非线性多色探针研究指明了新方向,也为发展超分辨纳米技术提供了一个新的思路。相关论文在线发表在Advanced Materials上,并于当期Back Cover做简要介绍

作者简介

陈朝浩博士于2020年获得澳大利亚悉尼科技大学博士学位,主要的研究方向包括纳米光子学和超分辨荧光成像技术等。参与发表SCI学术论文共9篇,其中包括第一作者Nature CommunicationsAdvanced Materials各1篇,授权国际发明专利6项,中国发明专利1项,海内外邀请报告十余次。2019年获得美国光学学会Prizmatix青年研究员奖,多次受邀作为Coordination Chemistry ReviewsAdvanced Optical MaterialsNanophotonics等期刊的审稿人。

王帆博士于2014年在澳洲新南威尔士大学获得博士学位。王帆博士一直致力于生物光子学,光子学,凝聚态物理等多学科,跨学科研究。于2020年在悉尼科技大学电子工程系成立课题组进行光镊、激光制冷以及器件化超分辨成像技术的研究。共发表SCI文章63篇,含Nature1篇,Nature子刊8篇,Web of Science累计他引总数2743次,h-index 26,单篇最高引用455次;其中第一/通讯作者文章14篇,含 Nature Nanotechnology 1篇,Nature Communications 2篇,Light: Science & Application 1篇,Nano Letters 5篇,和 Advanced Materials 1篇。

金大勇教授现任澳大利亚悉尼科技大学杰出教授,博士生导师,澳洲国家可集成生物医疗仪器与技术转化基地所长,澳大利亚悉尼科技大学生物医学材料及仪器研究所所长,澳大利亚国家自然科学基金委Future Fellow。金大勇教授近五年内作为通讯作者先后在《自然》及子刊中发表了十余篇原创性工作(Nature 2017、Nature Nanotechnology 2013和2021、Nature Photonics 2014,2018和2019、Nature Communications 2014, 2016, 2018,2020和2021、Light: Science & Applications 2016 和 2018),和三篇特邀综述展望(Nature Nanotechnology 2015,Nature Methods 2018 和 Nature Communications 2018),至今发表学术论文100余篇。同时他也是七项国际专利的发明人。专业领域涵盖了生物工程光学、生物医疗诊断、精密光机系统、仪表自动化等领域。凭着在交叉学科取得的卓越成就,他荣获2015年澳洲国家级科研最高奖尤里卡奖交叉学科创新奖。他也是2016年澳大利亚百名科技创新领军人物,和2017年澳洲科学院工程科学奖John Booker奖章获得者。2017年十月十八日,金大勇教授作为第一个华人科学家获得澳大利亚总理奖 – 马尔科姆·麦金托什年度物理学家奖Prime Minister’s Prize for Science。

课题组主页:https://www.uts.edu.au/staff/dayong.jin

金大勇课题组以及王帆博士诚招有从事生物光子学意向的优秀硕士以及博士学生。

论文信息:

Heterochromatic Nonlinear Optical Responses in Upconversion Nanoparticles for Super‐Resolution Nanoscopy

Chaohao Chen, Baolei Liu, Yongtao Liu, Jiayan Liao, Xuchen Shan, Fan Wang*, Dayong Jin*

Advanced Materials

DOI:10.1002/adma.202008847