华南先进光电子研究院在读硕士黄冰如在Nanoscale、ACS Nano期刊发表文章

近日，我校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成果，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），其中黄冰如为文章独立第一作者，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，我们设计了一个能实现光谱正交性的荧光染料，如上面所示的太极图，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，我们通过设计核壳结构，采用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，并最终实现了单次扫描得到FED超分辨成像，使用940 nm实心激发光和808 nm空心激发光同步激发，铥和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54 nm.

光子上转换发光效率受到多方面因素如能级之间能量转换，交叉驰豫，环境猝灭等的影响，通过阅读文献，我们设计实验，在D₂O/H₂O溶剂体系中进行，分别测试980 nm激发光激发下，不同比例D₂O/H₂O组成体系中NaYF₄:20%Yb³⁺和NaYF₄:2%Er³⁺材料的荧光光谱及对应的荧光寿命。在已有的研究（偶极子-偶极子能量传递到表面损耗能量）基础上，提出了新的机制，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（如下图），这个新揭露的机制会对上转换效率造成很大影响，该实验结果可以帮助更好地理解上转换材料的猝灭动力学，更为如何增强发光效率提供非常重要的基础性理解和理论指导。

 

高质量研究成果的产生源于整个课题组的长期刻苦钻研和团结协作，源于导师詹求强的培养、指导和与国内外其他课题组的深入合作与交流，黄冰如说，科研的生活不似别人所想象的那般枯燥无聊，充满各种惊喜，惊吓和无奈，偶尔的小插曲更加耐人寻味和引人深思。

我们该庆幸，随着我们慢慢走近闪光的尚未经历的世界，它的边界在不断后退，随着我们的一步一步前进，终有一天我们会知道，世界本就是这个模样。该课题组近年来在Nature Communication、Laser Photonics Review、ACS Nano、Nanoscale、Optics Express等国际权威学术期刊上发表学术论文20多篇。成果的取得也离不开华南先进光电子研究院一流平台，感谢国家自然科学基金、广东省自然基金杰青项目、广州市珠江科技新星等项目的支持。

（撰稿人：黄冰如，詹求强   审稿人：陈必华）