南京理工大学Nano Lett. | 多光子片上增强上转换超分辨显微成像
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以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications
探索科学，前瞻未来
英文原题： On-Chip Mirror Enhanced Multiphoton Upconversion Super-Resolution Microscopy
通讯作者： 左超教授，南京理工大学；刘永焘教授，南京理工大学
作者： Yongtao Liu（刘永焘）, Jiajia Zhou（周佳佳）, Shihui Wen（温诗辉）, Fan Wang（王帆）, Hongjun Wu（吴洪军）, Qian Chen（陈钱）, Chao Zuo（左超）, and Dayong Jin（金大勇）
背景介绍
多光子显微镜（MPM）因具有卓越的轴向切片能力，从而能够提供更高的成像深度，对于厚组织以及活体成像具有巨大应用前景。然而，由于基于多光子吸收的探针的非线性转换效率低，双光子显微镜需要高功率和昂贵的飞秒激光器才能实现超分辨成像。上转换纳米颗粒（UCNP）作为一种新型的荧光探针，凭借其多阶梯式的中间态能级可以有效降低激光功率。但在多光子上转换超分辨显微镜（MPUM）中，需要利用非线性饱和激发过程，高分辨率是通过相对较高的饱和激发功率密度 (8.9MW/cm 2 ) 实现的，这对生物样品有潜在的危害。因此，对于多光子显微镜而言，一种高分辨率与低饱和激发功率兼得的成像方法是迫切需要的。
文章亮点
近日， 南京理工大学刘永焘教授 在 Nano Letters 上发表了多光子片上增强上转换超分辨显微成像的研究。基于片上反射镜的局部电磁场干扰策略及对荧光PSF的调控实现了对激发光功率密度的调节（图1），进而探究了纳米颗粒和银镜之间的距离对降低幅度的影响（图2）。
图1. 片上反射镜增强的非线性饱和超分辨显微成像
图2 单个UCNPs的455nm和800nm发射的非线性发射饱和度对比。(a) NaYF 4 的TEM图像：40% Yb 3+ , 4% Tm 3+ ，平均尺寸约为44.5nm。(b)UCNP的Confocal扫描结果，显示了光学均匀性。比例尺为500nm。(c) 测量不同间隔距离的片上反射镜上和盖玻片上的单个UCNP的发射光谱。(d) 单个UCNP在976nm激发下的455nm和800nm归一化发射饱和曲线。(e) 单个UCNP在976nm激发下，分别在不同间隔距离下的800nm归一化发射饱和度曲线。
在多光子片上增强上转换超分辨显微镜中，片上银镜使得激发光PSF和荧光PSF拥有固定相位差，从而在两个相干光之间产生固定干涉图案，可缩小远离银镜表面的荧光PSF，加入SiO 2 层来改变UCNP与银镜距离，选择最佳间隔距离来达到最佳效果。团队通过对紧密分布的UCNP的观察实验验证了其成像能力（图3）。与传统的共聚焦显微镜相比，对于衍射极限（200nm）范围内的UCNP，镜面增强的近红外荧光发射的负共焦成像结果（图3b）可以成功分辨出共聚焦（图3a）无法分辨的单个UCNPs。通过反卷积得到的正偏结果（图3c）可以更加直观的看出分辨率的提高。结果表明，该技术在未给系统增加额外复杂性情况下，成功将激发功率降低10倍，并实现35nm横向超分辨率。
图3. 不同成像技术对UCNP的成像结果
总结/展望
研究团队将银镜置于盖玻片上，利用银镜的局部电磁场干扰实现对激光功率的调控。本文设计的多光子片上增强的上转换超分辨显微成像方法为实现活细胞成像提供了一个全新的平台。
相关论文发表在 Nano Letters 上，南京理工大学教授 刘永焘 为文章的第一作者， 左超教授 和 刘永焘教授 为通讯作者。
通讯作者信息：
刘永焘 南京理工大学
刘永焘教授，博士毕业于悉尼科技大学，毕业后在悉尼科技大学从事博士后研究工作，目前在南京理工大学被聘为青年教授。主要从事现代光学成像（超分辨光学成像和多光子成像等）、纳米光子学、纳米传感和表征及相关技术在生物医学方面的应用。先后在 Nature Communications, Nature Nanotechnology, Nature Photonics, Advanced Materials,Small, ACS Nano, Nano Letters 等国际权威学术期刊发表文章二十余篇。多次受邀国际学术报告，并受邀担任激光光学和光子学(LOP)国际会议国际组委会委员。
Googlescholar:
https://scholar.google.com/citations?hl=en&user=fxwk6xkAAAAJ
左超 南京理工大学
左超，教授、博士生导师。南京理工大学智能计算成像实验室学术带头人，在非干涉定量相位显微成像、高速结构光投影三维成像、计算光电成像探测等领域取得系列研究成果。在SCI源刊上发表学术论文180余篇，其中26篇论文被选作 Adv Photonics 等期刊封面论文，20篇论文入选ESI高被引/热点论文，论文被引超过11000次。入选国家“优青”、国际光学工程学会会士（SPIE Fellow）、美国光学学会会士（Optica Fellow）、科睿唯安全球高被引科学家。获国际应用和纯物理协会（IUPAP-ICO）光学青年科学家奖、Light全球未来光学之星（Rising Star of Light）、日内瓦国际发明展特别嘉许金奖等。现为PhotoniX、OLEN、《红外与激光工程》、《激光与光电子学进展》等期刊编辑。
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https://scholar.google.com/citations?hl=en&user=vdi8IicAAAAJ
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Nano Lett. 2023, 23, 12, 5514–5519
Publication Date: June 5, 2023
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00763
Copyright © 2023 American Chemical Society