镧系元素纳米粒子使连续波 NIR STED 显微镜成为可能

新加坡国立大学的研究人员开发了新一代近红外 (NIR) 发射纳米探针，用于深部组织的超分辨率成像。这些纳米探针基于具有丰富能级、高光稳定性和可编程光学动力学的镧系元素掺杂纳米材料。

受激发射损耗 (STED) 显微镜由 Stefan HELL 于 2000 年发明(获得 2014 年诺贝尔化学奖)，将光学显微镜带入纳米维度，并将我们的视野深刻扩展到亚细胞水平。对于典型的 STED 显微镜，两束激光束被利用;其中一束激光束刺激荧光分子发光，另一束激光束消除所有荧光，除了存在于纳米级体积中的荧光。通过逐纳米逐纳米地逐步扫描样品，可以获得分辨率优于阿贝规定极限(传统光学显微镜最大分辨率的物理极限)的图像。有机荧光团通常用于 STED 显微镜。然而，STED 显微镜中的强脉冲经常与快速自发荧光(k > 10 8 s -1) 来自荧光团，导致潜在的光毒性、光漂白和显着的耗尽诱导的再激发背景。这降低了获得的图像的质量。此外，有机荧光团通常在可见光区域工作，这阻碍了涉及深层组织的潜在应用。

由新加坡国立大学化学系刘晓刚教授领导的研究小组发现，一系列掺钕 (Nd 3+ ) 镧系元素纳米粒子可以作为更有效的 STED 成像应用的纳米探针，实现无自发荧光，近红外光学窗口中的低功率、超分辨率成像。在被 808 nm 波长激光束激发后，这些 Nd 3+掺杂的纳米粒子在 860 nm 近红外区域周围发出强光，效率超过 20%。当与 1,064 纳米波长的激光共同照射时，这种近红外发光会立即关闭。研究小组发现，通过增加耗尽功率可以实现近乎统一的发光抑制效率(98.8%)。与有机染料介导的 STED 显微镜相比，将发光强度降低一半所需的功率(称为饱和强度)低两个数量级以上。Nd 3+的这种能力通过在低功率条件下使用不同的激光束波长来打开和关闭 掺杂纳米粒子，使 STED 过程能够实现单个纳米粒子约 19 nm 的横向分辨率。研究团队还展示了具有大约 70 nm 空间分辨率的高对比度深部组织(~50 mm)成像。重要的是，即使经过两个小时的照射，这些纳米探针也没有显示出光漂白的迹象。

除了视觉质量外，该团队还研究了 Nd 3+掺杂纳米粒子在 STED 成像应用中的性能机制。通过准四能级配置和长寿命(>100 毫秒)亚稳态，这些 Nd 3+掺杂纳米粒子可以很容易地被激发到亚稳态发射能级和高于基态的能级。由于纳米颗粒可以在较长时间内保持激发态，因此成像过程所需的激光能量更少。四级配置还可以消除耗尽光束引起的再激发，从而实现有效的受激发射耗尽过程。

刘教授说：“近年来，许多研究人员在长期、深层组织、高分辨率成像方面面临挑战。新一代镧系元素纳米探针可能会在生物成像和分子检测中找到重要应用。”

标签： 镧系元素纳米粒子