[发明专利]一种受激辐射损耗敏化的荧光损耗原理及其超分辨成像方法与装置

说明书

本发明公开了一种受激辐射损耗敏化的荧光损耗原理及其超分辨成像方法与装置，其中，一方面荧光损耗方法是利用近红外连续型激光引起稀土掺杂荧光纳米颗粒中敏化离子的受激辐射过程，从激发源头阻断了该敏化离子与一种或多种活化离子间的能量传递过程，猝灭所有活化离子所有能级的发光，从而实现单束损耗激光对不同活化离子不同能级的荧光进行同时损耗。另一方面基于损耗方法实现了全光谱多色超分辨成像的方法及装置，从而基于同一对近红外波长激发光/损耗光对多种发光离子或分子进行全光谱多色超分辨显微成像，具有无光漂白、低光毒性、大深度、高分辨、低复杂度、低成本等优势。

技术领域

本发明属于光学显微技术领域，具体涉及一种受激辐射损耗敏化 的荧光损耗原理及其超分辨成像方法与装置。

技术背景

在光学显微成像中，由于衍射极限的存在，光学显微镜能够达到 的极限分辨率在200nm左右，难以满足对于纳米尺度结构的观测。 为了能够突破光学衍射极限，研究人员提出了一系列的远场光学超分 辨显微成像方法，其中最具代表性的是基于激光扫描的受激发射损耗 显微术(Stimulated emission depletion microscopy,STED)，该方 法使用高斯型聚焦激光扫描样品的同时，采用另一束环形光聚焦损耗 荧光点周围荧光，得到更小的有效荧光点扩散函数，进而扫描得到超 分辨荧光图像。由于其实时、快速及超高分辨率等特点，被广泛应用 于观测亚细胞结构及其他细胞生物学问题的研究中。

为了降低了STED的功率要求，申请人在过去曾开发了基于上 转换纳米颗粒的STED技术，实现了近红外激光激发与损耗、完全 无光漂白与光闪烁、长时间的超分辨成像，但是该STED技术目前 仍存在许多限制，比如损耗机制不通用，荧光损耗只局限于单一稀土离子的单一荧光波段，即Tm³⁺的455nm荧光，难以推广到其他稀 土离子系统。因此，开发一种通用的上转换受激发射损耗机制，实现 一对近红外波长激发光/损耗光对多种发光离子或分子进行全光谱多 色STED成像意义重大。

发明内容

鉴于现有技术的缺陷，本发明旨在于提供一种受激辐射损耗敏化 的荧光损耗原理，目的在于克服已有上转换受激发射损耗机制的局限 性，进一步的，本发明基于一束波长匹配敏化离子能级间隙的近红外 损耗光，引起受激辐射损耗过程，猝灭特定能级能量，从激发源头阻 断了该敏化离子与一种或多种活化离子间的能量传递过程，从而猝灭 所有活化离子所有能级的发光。

其次，本发明的另一个目的在于利用上述荧光损耗方法，提供一 种通过同一对近红外波长激发光/损耗光对多种发光离子或分子进行 全光谱多色超分辨成像的方法及装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种受激辐射损耗敏化的荧光损耗原理，所述方法包括以下步骤：

S1构筑不同组分的稀土离子掺杂荧光纳米材料；其中，稀土离 子包括敏化离子和一种或多种活化离子，在激发光作用后，敏化离子 能够吸收能量传递给所述一种或多种活化离子，使一种或多种活化离 子发射出不同波段的荧光；

S2增加一单束损耗激光进行损耗；其中，所述单束损耗激光的 波长与所述敏化离子中的两个能级的能量间隙匹配，通过引起受激辐 射损耗过程，淬灭特定能级的能量，从激发源头阻断了所述敏化离子 与所述一种或多种活化离子间的能量传递过程，猝灭所有一种或多种 活化离子所有能级的发光，从而实现所述单束损耗光对所述一种或多 种活化离子不同能级的荧光进行同时损耗。

需要说明的是，所述敏化离子为采用Nd³⁺，所述活化离子为Nd³⁺、 Er³⁺、Ho³⁺、Pr³⁺、Tm³⁺、Eu³⁺或Tb³⁺中的一种或多种。