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　　工學(xué)院席鵬課題組在《自然》雜志發(fā)表論文實(shí)現(xiàn)超分辨顯微成像新技術(shù)

　　北京大學(xué)工學(xué)院席鵬">席鵬課題組與澳大利亞麥考瑞大學(xué)、澳大利亞悉尼科技大學(xué)、上海交通大學(xué)合作，在超分辨顯微技術(shù)方面作出重要突破。該工作通過(guò)高摻稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子，將傳統(tǒng)超分辨的光強(qiáng)降低了2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，并揭示了由光子雪崩效應(yīng)帶來(lái)的受激輻射增強(qiáng)機(jī)制。這一機(jī)制使得研究小組僅用30mW的連續(xù)激光，即可實(shí)現(xiàn)28nm的超分辨，僅為激發(fā)波長(zhǎng)的1/36. 該成果于2月22日在線發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)期刊上。("Amplified stimulated emission in upconversion nanoparticles for super-resolution nanoscopy")

　　由于波動(dòng)衍射的限制，光學(xué)顯微的分辨率被約束在200nm以上，而細(xì)胞內(nèi)的亞細(xì)胞器大小約為1-50nm。超分辨技術(shù)因其能夠突破衍射極限，提供亞細(xì)胞器更精細(xì)的信息而獲得2014年諾貝爾獎(jiǎng)。其中，受激輻射光淬滅(STED)這一超分辨技術(shù)能夠提供快速的超分辨率成像而備受生物學(xué)家青睞。

　　但是，這一技術(shù)的一個(gè)弊端是，由于它需要在焦點(diǎn)附近形成“激光”來(lái)擦除熒光，造成所需要的光功率過(guò)大，影響細(xì)胞的活性和生物特性。同時(shí)，高功率的激光器本身的成本和維護(hù)的復(fù)雜性成為這一技術(shù)普及的壁壘。為此，尋找優(yōu)化的路徑來(lái)降低光功率的需求，實(shí)現(xiàn)低功率下的超分辨，將不僅能夠使其更好地揭示活細(xì)胞的精細(xì)結(jié)構(gòu)與功能，且能夠讓這一技術(shù)在更多實(shí)驗(yàn)室得到廣泛應(yīng)用。

　　在本工作中，研究者采用了一種粒徑僅為40nm的稀土納米粒子，利用其能級(jí)特性，通過(guò)中間能級(jí)淬滅實(shí)現(xiàn)了超低功率超分辨。傳統(tǒng)的STED由于限制在熒光的兩個(gè)能級(jí)上，因此需要的功率較強(qiáng)。而稀土納米粒子具有極為豐富的中間能級(jí)，通過(guò)適當(dāng)選擇中間能級(jí)，可以達(dá)到“四兩撥千斤”的效果，用極低功率即可誘導(dǎo)淬滅。同時(shí)，研究者發(fā)現(xiàn)，只有在高摻納米粒子上才會(huì)體現(xiàn)這一效應(yīng)，而低摻納米粒子則無(wú)法有效消光。通過(guò)對(duì)摻雜濃度和消光比的研究，科學(xué)家揭示了其中的光子雪崩效應(yīng)。與共振能量傳遞相比，這一效應(yīng)體現(xiàn)了更高的非線性。

　　結(jié)合稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子的熒光特性和中間能級(jí)受激輻射淬滅的機(jī)理，研究者在40nm和13nm的單顆粒樣品上，均實(shí)現(xiàn)了28nm的超高光學(xué)分辨率。這一分辨率將有助于揭示細(xì)胞在不同生命周期中的結(jié)構(gòu)與功能變化、病毒入侵細(xì)胞的過(guò)程等。同時(shí)，由于上轉(zhuǎn)換納米粒子采用近紅外光實(shí)現(xiàn)激發(fā)，這一發(fā)現(xiàn)將有助于其在深層組織上實(shí)現(xiàn)三維超分辨。

　　本工作的共同第一作者劉宇嘉是上海交通大學(xué)和澳大利亞麥考瑞大學(xué)的聯(lián)合培養(yǎng)博士(導(dǎo)師：席鵬">席鵬、金大勇教授)，共同第一作者楊旭三是北京大學(xué)工學(xué)院博士生(導(dǎo)師：席鵬">席鵬)。共同通訊作者分別為席鵬">席鵬、陸怡青(麥考瑞大學(xué)，共同第一作者)、金大勇教授。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家科技部重大科學(xué)儀器專項(xiàng)(國(guó)內(nèi)部分)，和澳洲ARC基金的資助。

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