非線性光學及超分辨熒光顯微成像領域取得突破性進展

4月26日，《自然-納米技術》在線發(fā)表了華南師范大學華南先進光電子研究院光及電磁波研究中心教授詹求強課題組最新研究成果。他們在非線性光學及超分辨熒光顯微成像領域取得突破性進展。

該研究提出了一種新型的遷移光子雪崩機理，在常溫下實現(xiàn)了國際上非線性響應階數(shù)最高（46階）的光子雪崩現(xiàn)象，基于極高階非線性熒光效應發(fā)展了一種極其簡便的單光束、低光強、近紅外超分辨顯微成像技術，系統(tǒng)比傳統(tǒng)共聚焦更簡單，但分辨率是共聚焦的4倍左右，并成功應用于亞細胞結(jié)構的觀測。

光子雪崩是一種具有超高階非線性光學響應特性的上轉(zhuǎn)換發(fā)光現(xiàn)象，于1979年首次在摻鐠晶體中被觀察到，表現(xiàn)出的特征為激發(fā)光功率超過一定閾值后，發(fā)射熒光強度隨激發(fā)光強度增加而展現(xiàn)出超高階非線性依賴關系，階數(shù)遠高于傳統(tǒng)的多光子吸收。但過去四十多年里，光子雪崩基本只能在塊狀材料中觀測，甚至需要超低溫等極端條件。如何在納米尺度、常溫條件下實現(xiàn)高效光子雪崩一直是個重大物理難題。這是因為在納米尺度下實現(xiàn)光子雪崩存在巨大困難，如納米顆粒表面能量損耗很大、增強交叉馳豫與濃度猝滅存在矛盾關系等。

針對這個科學難題，自2018年起，詹求強帶領碩士研究生努力探索適用于在納米尺度實現(xiàn)光子雪崩的新理論，并取得了重要進展。在物理機理上，突破性提出多離子級聯(lián)作用的新型光子雪崩機理（Cascade Photon Avalanche），在室溫條件下實現(xiàn)了摻鐠納米顆粒的26階非線性熒光的效應。具體地，在詹求強課題組提出的雙離子摻雜的光子雪崩體系中，引入了一種能級簡單的新離子（鐿離子）承擔存儲能量的功能。

該研究從理論和實驗上系統(tǒng)地分析了能量傳遞路徑，建立整套雪崩體系模型并使用數(shù)學方程理論模擬發(fā)光的動力學過程，探尋了最佳摻雜配比，闡明了影響光子雪崩的內(nèi)在機制。基于理論指導，合成對應的雙離子摻雜的納米顆粒，在近紅外光激發(fā)下，成功探測到覆蓋藍光至紅光的多波段熒光的超高階非線性光學響應曲線。

詹求強課題組還發(fā)現(xiàn)了在多離子級聯(lián)作用的鐿離子具有同樣的光子雪崩效應，而鐿離子是上轉(zhuǎn)換體系中常用的敏化離子和能量遷移離子，能夠有效敏化多種活化離子進行上轉(zhuǎn)換發(fā)光，為光子雪崩效應傳遞給其他鑭系離子提供了可能性。課題組由此進一步提出能量遷移光子雪崩機制，通過合成多層核殼結(jié)構的納米顆粒，將最內(nèi)層雙離子級聯(lián)的作為光子雪崩的“納米引擎”，雪崩能量經(jīng)過鐿離子組成的網(wǎng)絡遷移網(wǎng)絡傳遞給外層其他發(fā)光離子，并且非線性階數(shù)由于上轉(zhuǎn)換的多光子效應實現(xiàn)了進一步放大。例如，以銩離子作為擴展對象，得到了階數(shù)高達46的非線性光學響應。

雙離子級聯(lián)雪崩體系相比傳統(tǒng)體系具有更快的響應動力學，比傳統(tǒng)光子學雪崩效應速度提高了2-3個數(shù)量級，這對于超分辨成像/傳感、超分辨3D打印等應用來說具有很重要的實際意義。由此，課題組開發(fā)出一種低功率、單光束激發(fā)下的超分辨顯微成像技術，首先基于簡單的激光掃描顯微鏡在單納米顆粒上證明了超分辨成像，分辨率高達62nm，隨后進一步將光子雪崩納米顆粒作為探針免疫標記到HeLa細胞，可清楚分辨細胞的精細結(jié)構。

該工作所實現(xiàn)的納米光子雪崩除了推動超分辨顯微成像技術的革新升級，在突破衍射極限的光傳感、光存儲、光刻以及納米激光等前沿領域也具有廣泛的應用前景，將會對非線性光學、納米光子學、生物光子學領域產(chǎn)生重要的影響。

華南師范大學碩士研究生梁宇森、朱志旻以及博士研究生喬書倩為該論文共同第一作者，詹求強為唯一通訊作者，華南師范大學為第一完成單位和唯一通訊單位。來自瑞典皇家工學院KTH的Jerker Widengren教授、劉海春博士以及北京大學孫聆東教授、董浩博士給本工作提供了重要的合作與指導，參與該項工作的還有詹求強課題組其他研究生。

該研究得到了國家優(yōu)秀青年科學基金、廣東省杰出青年科學基金、國家自然科學基金面上項目等經(jīng)費的支持。

相關論文信息：

https://www.nature.com/articles/s41565-022-01101-8

審核編輯 ：李倩