稀土掺杂纳米晶上转换发光中的集体闪烁现象

《PhotoniX》：Collective blinking of upconversion emission in lanthanide-doped nanocrystals

　　

荧光闪烁（fluorescence blinking）常被视为稳定发光体的局限，却可赋能超分辨定位显微（super-resolution localization microscopy），并作为量子发光体光物理状态及其与局域环境相互作用的多功能报告因子。传统闪烁发光体通常为具有斯托克斯位移（Stokes-shifted）荧光的单量子系统，易受自荧光背景、信号弱和长时间激发下不可逆光降解影响。相比之下，单稀土掺杂上转换纳米晶（lanthanide-doped upconversion nanocrystals, UCNCs）是无背景抗斯托克斯（anti-Stokes）发光体，且对光降解具有强抵抗能力，但由于单纳米晶内大量不相关发光稀土离子集体平均，通常被认为不闪烁。研究人员报道了单纳米晶内数千个稀土离子上转换发光（upconversion luminescence, UCL）集体闪烁的发现与控制。该闪烁具备高达25的开/关强度比，持续超过15 h（超过10000个周期）而无可见光降解，并可通过调节激发功率可逆控制。研究人员提出一种普适的、与激活剂无关的UCL闪烁机制：单个淬灭体很可能通过协同多离子过程产生，拦截Yb3+敏化剂网络内离域激发能，使整个纳米晶变暗。借助高对比度、长期光稳定闪烁和无背景发射，研究人员实现了低功率超分辨定位显微，在致密聚集体中分辨并定位单个纳米晶，平均分辨率12.6 nm，平均定位精度1.2 nm。该工作建立了在光稳定多发光体纳米系统中实现和控制集体闪烁的通用策略，为纳米科学、生物成像和量子技术提供新机遇。

研究背景方面，荧光间歇最初被看作孤立单量子系统的量子跳跃表现，后来在有机染料、半导体量子点、荧光蛋白、碳点及固体色心等单发光体中被广泛观测，其机制涉及电荷俘获、缺陷动力学和环境相互作用。闪烁虽常被视作缺点，但可报告局域环境波动、蛋白构象、DNA杂交等，并支撑复用检测、动态密码和超分辨定位显微。多发光体系统通常因系综平均掩盖个体随机涨落而不出现闪烁；少数特殊架构如共轭聚合物、J聚集体和反向离子组装纳米颗粒可出现集体闪烁，但通过斯托克斯发射仍受自荧光背景和组成发光体累积光漂白限制。稀土掺杂上转换纳米晶利用多光子过程把低能光子转为高能光子，抗斯托克斯发射可完全剔除自荧光背景，无机介质晶格与4f电子屏蔽使其极耐光降解；然而单纳米晶内成千上万不相关稀土离子平均化，使UCNC长期被认为是非闪烁发光体。因此，能否在UCNC这种背景自由、光稳定多发光体系统中人为实现可控集体闪烁，并将其用于低功率超分辨成像，是亟待解决的科学问题。

该研究发表于《PhotoniX》。研究人员设计了核@壳@壳@壳结构NaYbF₄@NaTmF₄@NaYbF₄@NaYF₄上转换纳米晶，在单颗粒水平记录长波约800 nm与短波约450 nm UCL，并同步探测Yb³⁺下转换发光（downconversion luminescence, DCL），通过功率调制、衰减动力学、驻留时间统计与宽场帧差定位算法，证明集体闪烁来源于Yb³⁺敏化网络内离域激发能被单个淬灭体拦截，且该机制不依赖激活剂种类。结论上，研究人员推翻UCNC非闪烁的固有认知，提出单淬灭体驱动、协同多离子产生淬灭体、自限制形成的通用模型，并实现平均分辨率12.6 nm、平均定位精度1.2 nm的低功率超分辨定位显微。

主要关键技术方法如下：单颗粒光学表征采用980 nm连续激光经高数值孔径物镜激发，双单光子雪崩二极管同时分谱记录长波与短波UCL；以相同架构替换Tm³⁺为Er³⁺或Ho³⁺作活化剂（activator）验证普适性；同步采集Yb³⁺ DCL并与UCL做时间相关分析；通过1.9至2.7 kW/cm²激发功率循环获取开态时间分数以判定非线性淬灭体生成；对开/关态DCL衰减曲线提取淬灭速率Γ_q；用指数截断幂律做开/关驻留时间统计；宽场时间序列构造成（x, y, t）矩阵，帧差识别turn-on/turn-off事件，稳定区间平均后差分拟合二维高斯完成定位，再用高斯渲染与高斯混合模型聚类重建超分辨图像，并与AFM形貌比对。

研究结果部分保留小标题并简述如下。

UCL blinking with designed UCNCs：研究人员在core@shell@shell@shell UCNC单颗粒中观测到长短波UCL同步二进制闪烁，122个颗粒开/关强度比均值13.6、部分超25；15 h视频显示超10000周期无强度衰退，信背比150，说明所设计超薄激活剂层加惰性钝化壳可打破系综平均、产生高对比度UCL闪烁。

Mechanism of UCL blinking：该节下分四部分。Single?quencher?driven on?off cycling中，研究人员提出随机生成与湮灭的单个淬灭体作为能量汇，拦截Yb³⁺网络内离域激发，使全纳米晶变暗，回归on态由淬灭体自发湮灭驱动，区别于雪崩纳米粒的光开关。Generality across different activator ions中，Er³⁺与Ho³⁺超薄激活层UCNC同样出现跨波段同步UCL闪烁，证明机制与激活剂身份无关。Synchronous DCL and UCL blinking中，Yb³⁺ DCL与激活剂UCL同步起伏，直接表明淬灭体作用于敏化剂网络而非激活剂。Activator-independent quenching dynamics中，Er与Ho体系开/关态DCL衰减给出的淬灭速率分别为（198.2 μs）^?1与（195.8 μs）^?1，高度一致，且衰减率比与强度比吻合，印证共享淬灭过程。

Highly nonlinear quencher generation：激发功率低于约1.9 kW/cm²不闪烁；超过阈值后开态时间分数随功率锐减，1.9升至2.7 kW/cm²仅增42%却使关态时间分数由8%升至61%，表明淬灭体经Yb³⁺?Yb³⁺协同上转换的高阶多光子电离、电子被晶格缺陷俘获而形成。

Self?limiting quencher formation：单淬灭体打开快速衰减通道后降低激发Yb³⁺稳态布居，抑制新淬灭体所需多离子能量积累，因此首淬灭体抑制第二淬灭体，湮灭后恢复，构成单淬灭体单步on?off动力学。

On/off-state dwell time statistics：开/关驻留时间均服从指数截断幂律，幂律指数在on/off动力学中不同，反映淬灭体生成与湮灭具有本征动力学不对称性，可能源于晶格位点异质性与局域环境扩散式涨落。

Super-resolution microscopy with UCL blinking：利用高对比、无背景、光稳定闪烁，宽场帧差矩阵识别单个UCNC turn-on/turn-off，稳定区间平均再差分拟合高斯，聚团用高斯混合模型分配，得到密集聚集体中单晶定位；平均分辨率12.6 nm、平均定位精度1.2 nm，光学定位与AFM高度一致，区域I中8个密排纳米晶即便AFM也难以分辨时仍被光学解析。

讨论与结论翻译部分：研究人员总结称，在稀土掺杂UCNC中发现并系统表征了集体UCL闪烁，颠覆了UCNC为非闪烁光学发光体的长期看法。研究人员提出通用模型：光活性淬灭体的随机产生与湮灭驱动闪烁；惰性Y³⁺钝化壳隔离表面缺陷、超薄激活层限制激活剂数量，使单个淬灭体即可令整颗纳米晶变暗；Yb³⁺ DCL与激活剂UCL同步闪烁直接证明淬灭体拦截Yb³⁺敏化剂网络内的离域激发能而非作用于激活剂；不同激活剂体系共享淬灭速率，说明淬灭体种类与过程与激活剂无关；闪烁的强非线性功率依赖暗示淬灭体很可能通过Yb³⁺?Yb³⁺协同多光子电离及随后晶体缺陷电荷俘获而产生。该闪烁UCNC具高达25的开/关比与超常长期光稳定性，结合事件差分成像算法，以约2.3 kW/cm²低激发功率在致密聚集体中实现平均分辨率12.6 nm、平均定位精度1.2 nm的超分辨定位显微。研究人员预期此类闪烁UCNC与光学纳米腔结合将展现更丰富光物理与可控性，并为单颗粒传感、复用检测、动态光学密码、能量迁移与淬灭研究、生物成像和量子技术建立多发光体固态系统集体闪烁的新设计范式。