基于上轉(zhuǎn)換納米材料的新型光學(xué)超分辨技術(shù).pdf

1、光學(xué)顯微系統(tǒng)具有三維、實時、無損的成像特點，是現(xiàn)代生物研究中的重要工具之一，但受衍射限制，光學(xué)顯微系統(tǒng)的分辨率較低。近年來，一系列熒光超分辨顯微技術(shù)成功打破了衍射極限，其中三位創(chuàng)始人被授予2014年諾貝爾化學(xué)獎。在超分辨技術(shù)中，受激輻射淬滅顯微技術(shù)作為最早實現(xiàn)，且光學(xué)設(shè)計原理最直接的超分辨技術(shù)，以其三維、實時等成像特點，具有廣泛的應(yīng)用前景。然而對普通熒光染料，受激輻射淬滅顯微技術(shù)實現(xiàn)淬滅過程的功率密度需求較高，對活細(xì)胞成像應(yīng)用造成了障礙

2、。
　　稀土上轉(zhuǎn)換材料是近年來新興的一種無機(jī)熒光材料，具有激發(fā)態(tài)多、發(fā)光穩(wěn)定、無閃爍、熒光壽命長且合成高度可控等一系列特點，被廣泛應(yīng)用于生物成像、探測等領(lǐng)域。其中以摻鉺或銩作為激活離子的上轉(zhuǎn)換納米材料應(yīng)用最為普遍。本論文將摻銩上轉(zhuǎn)換納米材料應(yīng)用于超分辨技術(shù)，利用其高摻雜和長熒光壽命等特點，實現(xiàn)了低功率受激輻射淬滅超分辨和高容量熒光壽命解碼定位。各章的主要內(nèi)容如下：
　　首先搭建了以鈦藍(lán)寶石振蕩器作為淬滅光源的連續(xù)波長受激輻射

3、淬滅超分辨系統(tǒng)，在熒光納米小球上實現(xiàn)了約71 nm的超高分辨率，并對細(xì)胞骨架和RNA分子等精細(xì)生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了超分辨成像。結(jié)果表明，以鈦藍(lán)寶石振蕩器作為連續(xù)波長淬滅激光源可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，但對有機(jī)染料進(jìn)行超分辨成像時需要較高的淬滅功率密度，這對活細(xì)胞成像應(yīng)用造成障礙。
　　其次，將摻銩稀土上轉(zhuǎn)換納米材料應(yīng)用于受激輻射淬滅顯微系統(tǒng)，擬利用稀土元素長熒光壽命特點降低淬滅功率密度需求。根據(jù)稀土元素銩的多中間態(tài)特點，設(shè)計了中間態(tài)梯

4、式淬滅機(jī)制。對不同激活離子摻雜濃度納米顆粒樣本的淬滅效率進(jìn)行了系統(tǒng)測量，結(jié)果表明高摻樣本可以大幅降低受激輻射淬滅的功率密度需求，而低摻樣本與預(yù)期不同，不能有效實現(xiàn)淬滅。其中銩離子摻雜4%和8%的納米材料樣本的飽和強(qiáng)度同有機(jī)染料相比降低了兩個數(shù)量級。系統(tǒng)在高摻納米顆粒樣本上成功實現(xiàn)低功率密度的超分辨成像。
　　再次，深入研究高摻上轉(zhuǎn)換材料降低淬滅光功率密度需求的機(jī)理，證實與低摻樣本相比，高摻激活離子帶來交叉弛豫速率提高，引起光子雪崩

5、顯著增強(qiáng)，促使處于中間態(tài)的激活離子數(shù)量迅速增加，從而實現(xiàn)對基態(tài)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，最終易于實現(xiàn)受激輻射淬滅。對照實驗表明低摻交叉弛豫速率降低，難以發(fā)生光子雪崩。而后系統(tǒng)性的對時間、功率密度、材料合成等多重因素對摻銩上轉(zhuǎn)換材料受激輻射淬滅過程的影響。
　　最后，針對傳統(tǒng)熒光編碼容量受局限的問題，利用上轉(zhuǎn)換納米顆粒的熒光壽命高度可控特性，成功實現(xiàn)具有高容量的基于熒光壽命編碼解碼的新型定位解析技術(shù)，適用于共定位等位置信息分析的應(yīng)用。通過實驗論