基础研究|华南师范大学在光子上转换发光材料领域取得新进展

近日，华南师范大学华南先进光电子研究院光及电磁波研究中心硕士研究生黄冰如在光子上转换发光材料领域取得一定的进展，先后在 Nanoscale(SCI一区，IF=7.233),ACS Nano(SCI一区，IF=13.709) 期刊上发表相关论文文章。在Nanoscale上发表题为 “One-scan fluorescence emission difference nanoscopy developed with excitation orthogonalized upconversion nanoparticles”(DOI:10.1039/c8nr07017b)， 其中黄冰如为论文文章独立第一作者，詹求强副教授和深圳大学彭登峰博士为共同通讯作者，华南师范大学为第一单位。在ACS Nano上发表题为 ”Overtone Vibrational Transition-Induced Lanthanide Excited-State Quenching in Yb3+/Er3+-Doped Upconversion Nanocrystals“(DOI:10.1021/acsnano.8b05095) ，其中黄冰如为论文文章独立第一作者，合作博士后刘海春和詹求强副教授和瑞典合作者刘海春博士为共同通讯作者。

光子上转换发光材料因具有优异的光学性质如完全无光漂白，完全无光闪烁，光化学稳定性极高，近红外激发可转化为紫外-可见光辐射，大的反斯托克斯位移等而受到研究者的青睐，在近几十年发展迅速，已成为理想的生物细胞荧光标记物。近年来，多种突破衍射极限的超分辨显微技术相继诞生，对促进当今生命科学领域具有非常重要的意义，应用上转换纳米材料实现超分辨显微成像成为一大研究热点。其中荧光辐射差分 (fluorescence emission difference，FED) 显微术作为一种超分辨显微技术，其基本原理是通过实心光斑和空心光斑扫描得到两个显微图像，其中一个为实心荧光点，一个为空心荧光点，通过两个显微图像相减来获得超分辨显微成像。原理简单易懂，该方法具有图像处理简单的优势，且由于只需要激发荧光样品而不用进行受激辐射损耗，相比 STED 显微技术染料的选择范围更加宽泛，但实际操作的时候由于异步扫描，两次扫描之间荧光样品的漂移可能会引入不必要的误差。

为了解决这个问题，研究团队设计了一个能实现光谱正交性的荧光染料，如下上面所示的太极图，激发光Ⅰ只能激发区域Ⅰ使其产生一种颜色荧光，而不对区域Ⅱ起作用，激发光Ⅱ也同样只能对区域Ⅱ起作用，发出另一种颜色的光。利用光子上转换发光材料的丰富的光学调控性质，通过设计核壳结构，采用了 NaYF4:Er@ NaYF4@ NaYF4:Yb/Tm 这个简单的三层材料实现非常好的正交激发/正交发射光学特性，并最终实现了一单次扫描得到 FED 超分辨成像，使用 940nm 实心激发光和 808nm 空心激发光同步激发， Tm3+ 铥和 Er3+ 铒可以同时在两个通道分别产生蓝光和绿光辐射，通过对两幅共聚焦成像图进行相减，分辨率可达 54nm 。

光子上转换发光材料的上转换效率受到多方面因素如能级之间能量转换，交叉驰豫，环境溶剂猝灭等的影响，通过阅读文献，研究人员提出新的机制，即处于光子上转换材料表面的分子振动的谐波可以吸收并猝灭光子上转换体系的能量，研究发现两个或三个羟基分子振动可以同时耦合吸收一个来自光子上转换偶极子跃迁的能量，这个新揭露的机制