拓扑驱动能量传递网络实现低功率上转换受激发射损耗显微技术

《Light-Science & Applications》：Topology-driven energy transfer networks for upconversion stimulated emission depletion microscopy

研究人员针对传统STED显微镜依赖高强度激光和有机荧光团光稳定性差的问题，开展了拓扑驱动能量传递网络在上转换纳米粒子中的研究。通过空间分离Yb3+敏化剂和Tm3+发射剂构建核壳结构，实现了450 nm上转换发光的高效光学开关，在980 nm激发强度0.03 MW cm-2和808 nm耗尽强度1 MW cm-2下获得65 nm横向分辨率，为低功率超分辨成像提供了新策略。

　　

在光学显微技术领域，突破衍射极限一直是科学家们追求的目标。受激发射损耗（STED）显微镜作为重要的远场超分辨技术，虽然能够实现纳米级三维成像，但其发展却面临着两大瓶颈：一是依赖高强度脉冲激光，容易造成样品的光损伤和光漂白；二是传统有机荧光团的光稳定性有限，难以满足长时间观测的需求。这些问题严重制约了STED技术在生命科学和纳米光子学中的广泛应用。

近年来，镧系元素掺杂的上转换纳米粒子（UCNPs）为解决这些难题带来了新的希望。这类纳米材料具有独特的优势：能够利用近红外连续波激光激发可见光发射，具有优异的光稳定性和生物相容性。然而，传统方法主要关注通过改变镧系元素组合和浓度来调控能量传递，往往忽视了离子空间分布对能量传递动力学的影响。如何在UCNPs中实现更高效的能量传递，进一步降低激光强度要求，成为该领域亟待解决的关键科学问题。

在这项发表于《Light: Science & Applications》的研究中，顾伟钊、Simone Lamon等研究人员提出了一种创新的解决方案——利用拓扑驱动的能量传递网络（ETNs）来优化UCNPs的能量传递动力学。研究团队设计并制备了具有特殊核壳结构的NaYF₄纳米粒子，通过精确控制Yb³⁺敏化剂和Tm³⁺发射剂的空间分布，构建了高效的拓扑能量传递网络。

研究的关键技术方法包括：采用高温热解法合成不同构型的核壳结构UCNPs，通过透射电子显微镜和X射线衍射进行结构表征；搭建双光束超分辨光学系统，结合980 nm高斯激发光和808 nm环形耗尽光；利用时间相关单光子计数技术测量上转换发光寿命；建立速率方程理论模型模拟能量传递动力学。

拓扑驱动能量传递网络的构建与表征

研究人员设计了三种不同的核壳结构：传统的Yb,Tm@Y结构（敏化剂和发射剂混合在核内）、Yb@Tm@Y结构（核壳分离）以及创新的Tm@Yb@Y结构（发射剂在核、敏化剂在壳）。通过系统的光学表征发现，50 nm的Tm@Yb@Y结构在低功率980 nm激发下表现出最强的450 nm上转换发光，其亮度比传统结构提高了一个数量级以上。这种增强效应归因于独特的拓扑能量传递网络：Yb³⁺-Yb³⁺网络促进能量迁移，Yb³⁺-Tm³⁺界面能量传递实现高效上转换，Tm³⁺-Tm³⁺网络增强交叉弛豫过程。

光学开关性能的优化

在双光束照射条件下，Tm@Yb@Y结构表现出优异的光学开关特性。研究发现该结构能够实现92%的发光耗尽效率，饱和强度低至0.06 MW cm^-2。理论模拟和实验结果表明，拓扑驱动的能量传递网络有效促进了Tm³⁺中间激发态的粒子数反转，为高效光学开关提供了基础。时间分辨发光测量显示，拓扑结构的发光寿命与能量传递动力学密切相关，较大的纳米粒子中观察到了加速的离子间动力学过程。

超分辨成像性能验证

研究人员最终成功实现了基于拓扑驱动ETNs的U-STED超分辨成像。在0.03 MW cm^-2的980 nm激发强度和1 MW cm^-2的808 nm耗尽强度下，获得了65 nm的横向分辨率。与传统方法相比，激发强度降低了10倍，耗尽强度降低了3倍。长时间稳定性测试表明，该系统的发光强度每小时仅下降2%，成像分辨率在60分钟内保持稳定。

这项研究的创新之处在于首次将拓扑工程的概念引入上转换纳米粒子的能量传递调控中，通过精确的空间设计实现了能量传递路径的优化。研究结果表明，拓扑驱动的能量传递网络不仅显著提高了上转换效率，还大大降低了超分辨成像所需的激光强度。这种低功率成像能力为活细胞长时间观测和深层组织成像提供了新的可能性，有望推动超分辨显微镜在生物医学研究中的更广泛应用。

同时，该研究也为纳米光子学器件的发展提供了新思路。拓扑工程化的能量传递网络可以应用于设计高效的纳米尺度光源、光学调制器和开关器件，为下一代光通信和光计算技术的发展奠定基础。尽管目前还存在发光寿命较长影响成像速度等问题，但随着材料合成技术的进步和新型镧系掺杂策略的开发，拓扑工程化的UCNPs必将在超分辨成像和纳米光子学领域发挥越来越重要的作用。

这项工作的意义不仅在于提出了一种新的纳米材料设计策略，更重要的是展示了拓扑结构调控在光子学材料中的巨大潜力。通过理性设计纳米尺度上的空间排列，可以实现光子性能的精准调控，这为未来功能性纳米材料的设计提供了新的范式。随着对能量传递动力学理解的深入和合成技术的进步，拓扑工程化的光子学材料有望在生命科学、医学诊断和信息技术等领域产生深远影响。