用于远场超分辨成像的非线性纳米体系的设计、制备及其与光的相互作用

超分辨远场光学成像研究无疑是当前光学与激光研究领域的前沿热点，但是目前的超分辨成像技术大都需要利用多台不同波长的相干光源作为激发光，并往往需要采用较为复杂的激发或探测手段。与现有方案不同，本项目拟通过设计和制备特殊非线性荧光纳米系统，并将其作为荧光探针标记，达到在一台常规共焦荧光显微系统上实现超分辨远场光学成像的目的。这一非线性光学效应是通过荧光分子对之间的共振能量转移机制来实现，即在对供体荧光分子进行低光强激发时，通过供体与受体荧光分子间的荧光共振能量转移，可以将供体荧光分子淬灭；然而，一旦激发光强超过一个阈值，受体荧光分子将全部处在激发态，此时供体与受体荧光分子间的共振能量转移过程达到饱和，供体荧光分子才开始发射荧光。因此，这样一对荧光分子对激发光光强具有强烈的非线性依赖关系。通过将该荧光分子对掺杂到二氧化硅纳米小球，能够实现具有非线性效应的荧光标记探针，并进而实现超分辨远场光学成像。

当前，由于生命科学特别是活细胞研究的迫切需求，超分辨远场光学成像方法与技术的探索开拓成为国际光学与物理学研究领域中的热点。超分辨远场光学成像的本质是利用非线性光学效应，来突破线性光学中固有的衍射极限。现有的超分辨成像技术大都需要复杂的激发或探测手段，从而必须对传统显微镜做很大的改动。这一缺陷极大地限制了超分辨显微成像技术在一大批生物医学研究实验室的广泛应用。本项目期望探索解决这一困难的新途径，通过设计和制备特殊非线性荧光纳米系统，并将其作为荧光探针标记，达到在一台常规共焦荧光显微系统上实现超分辨远场光学成像的目的。..自从本项目立项以来，发表SCI, EI论文5篇，国际会议报告1篇，取得若干代表性成果如下：..1..将由本项目负责人提出的基于饱和荧光共振能量转移的远场超分辨成像方案与国际上目前非常重要的STED超分辨成像方案相结合，从而能够突破远场超分辨成像的现有极限。理论研究表明利用该新方案可以将远场超分辨成像的分辨率推进到分子级尺度(即小于10纳米量级)。该论文已经发表于国际光学领域的权威期刊Opt. Lett.（Optics Letters 35, 3862(2010)，标注项目编号）上。随后，本项目负责人建立了更为严格的理论模型，发表于国际光学领域的传统期刊Opt. Commun. (Opt. Commun. 285, 1404 (2012)，标注项目编号）。这些理论成果为本项目以及后续相关研究提供了理论基础。.2..与同行合作，实现了独立的单个FRET荧光分子对。该探针由附着在DNA链两端的Cy3 与Cy5分子对构成。当DNA链的空间构型为环形时，Cy3 和Cy5 分子对的间距仅为1~2纳米，从而在两者间能够获得非常有效的共振能量转移（即FRET效率非常接近于1）。目前，已实验初步实现了超分辨远场生物成像，获得了超越衍射极限的成像分辨率。这为该项研究的进一步探索提供了基础。