导读
传统光学受到衍射极限束缚，难以看清纳米尺度的生命结构。超分辨显微技术的出现打破了这一限制，其中受激发射损耗显微术（STED）凭借更高的空间分辨率，成为揭示细胞和分子精细结构的重要工具。但传统 STED 依赖高强度激光和有机荧光染料，容易引发光漂白和光损伤，能耗也较高，不利于长时间、稳定成像。为突破这一瓶颈，研究者将掺镧系离子的上转换纳米颗粒（UCNPs）引入 STED 体系，发展出上转换 STED（U-STED）技术，希望借助近红外激发、低背景和高光稳定性，实现更“省能”的超分辨成像。然而，上转换过程涉及多步能量传递，导致在低功率下很难同时兼顾足够的发光亮度和高效的光学“开—关”能力。
近日，上海理工大学顾敏院士团队提出“拓扑驱动的能量传递网络”设计思路，从UCNPs内部的空间结构入手，为能量传递重新“规划路线”，让其高效地汇聚到最关键的发光和开关位置，在显著降低激光功耗的同时仍能实现纳米级超分辨成像。该工作为低能耗超分辨探针的材料设计提供了通用方案，并拓展了相关纳米光子学应用前景。相关研究成果以 “Topology-driven energy transfer networks for upconversion stimulated emission depletion microscopy” 为题发表于《Light: Science & Applications》。
研究背景
上转换纳米颗粒（UCNPs）凭借近红外激发、低背景和高光稳定性，被视为构建上转换 STED（U-STED）超分辨显微技术的理想探针材料。然而，U-STED 的成像性能高度依赖颗粒内部敏化剂与发射剂之间的多步能量传递过程。传统 UCNPs 的敏化剂和发射剂排布与结构设计多基于经验，其能量迁移动力学难以精准调控，导致发光亮度与光学开关效率在低功率下难以兼得，在降低激发与抑制光功率时，往往同步出现发光不足与抑制不彻底的问题，使 U-STED 难以实现真正意义上的低能耗超分辨成像。为突破这一瓶颈，亟需一种能够从空间结构层面对能量迁移路径进行系统设计的新策略，以同时提升发光与开关效率，从根本上改善 U-STED 在低功率条件下的性能。
创新研究
本研究面向上转换 STED（U-STED）提出 “拓扑驱动能量传递网络”设计策略：在核壳上转换纳米颗粒（UCNPs）内部精确规划敏化剂（Yb³?）和发射剂（Tm³?）的空间排布与能量迁移路径，将无序扩散的能量“导入”高效通道，实现低功率下仍保持强上转换发射与高效光学开关，从根本上缓解 U-STED 中“低功率难兼顾亮度与开关效率”的长期难题。
| 拓扑驱动能量传递网络构建与定向汇聚机制（图1）
研究团队在核壳 UCNPs 中将 Yb3+与 Tm3+限制在不同空间区域，并通过核壳界面耦合通道构建拓扑能量传递网络，使能量沿预设路径迁移并在界面汇聚后高效注入发光中心，显著提升低功率下的上转换发光强度与光学开关效率。
图1：拓扑驱动的能量传递网络示意图。
(A) 不同核壳结构 UCNPs 的发光对比示意图。(B) 通过空间排布与界面耦合实现的能量定向传递与发光增强原理示意图。
| 低功率条件下的高发光强度与高抑制效率（图2）
通过对比三种不同核壳结构 UCNPs 在双光束照射下的发光变化，结合实验与理论模拟，研究表明：具有拓扑驱动的能量传递网络的 UCNPs 在低激光功率下仍能保持较高发光强度，同时显著提升发光被抑制时的“关断”效率。具体而言，该体系在较低激发强度下即可实现有效的上转换发光抑制，饱和耗尽强度明显降低，说明关键能量迁移与交叉弛豫通道被有效放大，在低功率条件下可以更稳定进行“开—关”转换，显著降低 U-STED 的能量门槛。
图2：三种不同结构 UCNPs 在单光束和双光束照射下的光学开关效果。
(A) 图中展示了三种 UCNPs 在单光束 (980 nm) 与双光束 (980 nm + 808 nm) 照射下的发光效果。(B) 图中展示了三种 UCNPs 在 980 nm激光功率为 0.1 mW 和 1 mW 激发下的发光抑制效果对比，并通过理论模拟验证了 0.1 mW 激发时的发光抑制效果。其中，808 nm 的抑制光功率在 0 到 50 mW之间调节。
| 低功率 U-STED 实证：65 nm 级横向分辨率实现（图3）
基于拓扑驱动 UCNPs 探针，团队在 U-STED 成像中实现了约 65 nm 的横向分辨率，显著优于共聚焦成像的细节表现。尤其重要的是，这一分辨率是在大幅降低激光功率的条件下获得，相比传统结构 U-STED 方法，激发功率降低了十倍 (0.03 MW/cm2)，抑制功率降低了3倍（1 MW/cm2），但仍能获得清晰稳定的超分辨图像。这表明通过对能量传递的精细设计，可以在“更省能”的情况下“看得更细”，实现真正意义上的低能耗超分辨成像。
图3：拓扑驱动 UCNPs 共聚焦成像和超分辨成像效果图。
(A) 图中展示了拓扑驱动 UCNPs 在单光束 (Confocal) 和双光束 (U-STED) 照射下的成像效果图。放大图显示了对应红框和蓝框区域的细节结构。(B) 对应图 (A) 中 U-STED 成像条件下虚线部分的分辨率，显示了成像效果的提升。
总结展望
本研究通过在核壳上转换纳米颗粒中设计“拓扑驱动能量传递网络”结构，将有限的能量迁移效率进行“定向传递”，使能量沿预设路径高效汇聚并注入发光中心，从而在低功率激光下同时实现强上转换发光与高效光学开关，突破了传统 U-STED 中在低功率条件下亮度与开关效率难以兼顾的难题。实验结果表明，该策略可在显著降低激发与抑制功率的情况下实现约 65 nm 的超分辨成像，验证了其在低能耗 U-STED 中的有效性与可行性。这一拓扑导能设计有望进一步拓展至多色成像与不同稀土体系，并为低光损、高稳定性的超分辨显微成像提供新的材料与结构设计思路。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02054-y
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