严纯华院士，最新Nature Photonics！

摘要：光子雪崩 (PA) 可以产生上转换发光，其随着激发功率的变化而急剧增长，有效地表现出高阶非线性 (N)，这对于从光物理研究到生物光子学等应用领域都很有吸引力。除了可用材料系统的局限性之外，PA 通常由单个储存器级别维持，限制了调节发射色度的能力，并导致 N 值

光子雪崩 (PA) 可以产生上转换发光，其随着激发功率的变化而急剧增长，有效地表现出高阶非线性 (N)，这对于从光物理研究到生物光子学等应用领域都很有吸引力。除了可用材料系统的局限性之外，PA 通常由单个储存器级别维持，限制了调节发射色度的能力，并导致 N 值较小而激发阈值较大。

鉴于此，北京大学严纯华院士、孙聆东教授和华南师范大学詹求强教授、报告了一种在钬 (Ho3+) 掺杂纳米粒子中的并行 PA 机制，可在室温下实现可调发射。Ho3+的中间5 I7 和5 I6级别充当双储存器级别，创建两个并行能量环路。这激活了多个发射级并能够在965nm连续波激发下实现红、绿、蓝PA发射。通过控制掺杂浓度和核/壳结构合理设计跃迁动力学，他们展示了多色PA，其N值为17–22，激发阈值温和，约为22kWcm−2 。此外，通过修改主晶格并通过掺杂Ce3+/Tm3+引入额外的交叉弛豫路径，可以将发射从几乎纯红色调整为强烈的红色、绿色和蓝色。当使用纳米粒子标记生物细胞时，他们在单连续波束显微镜上展示了多色成像，其绿蓝和红色通道的横向空间分辨率分别为78nm和102nm。这些发现为制造用于多种光学和生物应用的非线性多色荧光团开辟了道路。相关研究成果以题为“Parallel photon avalanche nanoparticles for tunable emission and multicolour sub-diffraction microscopy”发表在最新一期《nature pHotonics》上。

作者对比了传统单环光雪崩（PA）体系与本文提出的并行光雪崩(ParallelPhoton-Avalanche,PPA)架构（图1）。经典PA仅依赖一个长寿命中间态“储能层”，因此只能形成单一正反馈回路并输出单色荧光；而在PPA中，Ho³⁺离子的两个毫秒级储能层5 I7 与5 I6 同时耦合到红光发射5 F5 和绿光5 S2 /5 F4，并借助激发态吸收(ESA)与交叉驰豫(CR)进一步填充蓝光5 F2,3/5 K8 能级。单束965nm连续激光既激发5 I8 →5 I6的基态吸收，也覆盖ESA，继而同时触发两条正反馈回路，爆发出互不串色的红(645nm)、绿(540nm)与蓝(485nm)辐射。Ho³⁺吸收光谱与激发图共同验证了965nm的“甜点”波段，图1f示意了如何将双环非线性用于常规扫描显微镜的双色（R与GB）超分辨成像。总的来说，双储能层→双雪崩回路→单离子同步RGB发光；965nm激发兼具生物透明窗口优势。

图1 .PPA的原理

作者表征了NaGdF₄:10%Ho@NaYF₄核-壳纳米晶（核心13.5nm+壳层3.1nm；总径19.6±1.0nm）。其激发-发射图显示895nm上转换带与965nmPPA带，覆盖860–1010nm。965nm激发下，红、绿、蓝发射分别呈现17、22与22阶非线性，雪崩阈值Pth≈22–23kWcm⁻²。上升-衰减曲线峰值分别为343ms(R)、352ms(G)、371ms(B)，且在高功率下加快，这正是PA特征。100kWcm⁻²连续照射1h未见光漂白或闪烁，频谱也无蓝移，体现出卓越的光稳定性。紧凑氟化物核-壳结构在室温下实现N≈20的巨大非线性、<25kWcm⁻²的低阈值与小时级光稳定性，适合显微成像。

图2 .Ho3+掺杂纳米粒子的PA发射作者结合速率方程建模与系统性颗粒工程。模拟复现实验斜率并得出最佳σESA/σGSA≈7.5×10⁴，远高于PA判据10⁴。能级布居图证实5 I7 与5 I6 在三阶泵浦功率范围内占主导地位，印证其储能层角色。颗粒尺寸与表面淬灭：裸核(13.5–48.5nm)随尺寸增大，表面非辐射陷阱减少，N升高且Pth降低，直至N≈21、Pth≈20kWcm⁻²达到平台。加厚NaYF₄壳层后削弱表面损失；在24–98nm核尺寸区间，颗粒表现趋同(N≈17–22,Pth≈22kWcm⁻²)，且总体尺寸仍th回升（最佳Pth在20–40%）。机理模型阐明双回路途径；实验指出厚壳钝化与约10%Ho掺杂可在低阈值下激发强烈雪崩。

图3 .Ho3+掺杂纳米粒子的PPA机理和动力学调控

【单束 CW 激光实现的亚衍射成像】

作者将纳米颗粒装载到未经改造的多光子扫描显微镜（图4）。1.45NA物镜的理论衍射极限~333nm；当泵浦功率逼近P_th时，单颗粒横向PSF显著压缩：19kWcm⁻²时红光FWHM=74±3nm；25kWcm⁻²时绿/蓝FWHM=85±6nm，达到λ/13分辨率提升。在BS-C-1细胞中，疏水-亲水化颗粒经鬼笔环肽标记侧向追踪胞间纳米管。局部放大显示微丝分辨率95±5nm(R)、89±6nm(GB)（32–38kWcm⁻²激发），无需STED或PALM硬件即可解析

图4 .PPA实现的单连续光束亚衍射成像

作者进一步探索了光谱工程（图5）。改变主晶相可调晶场与声子环境：六方NaGdF₄倾向绿/蓝，LiYF₄强化红，而立方NaYF₄与Y₂O₃因高声子能量导致N降低、Pth升高。共掺进一步引入新CR通道：Ce³⁺(²F₇/₂,2300cm⁻¹)将5 I6 能量泵送至5 I7 ，红光增强但N降低；Tm³⁺(³F₄储能层)则从5F5抽能至更高能级，提升蓝/绿并可提高N。形成两类原型探针：LiLuF₄:20%Ho,0.5�@LiYF₄——近乎纯红雪崩，Pth≈24kWcm⁻²。NaGdF₄:10%Ho,10%Tm——RGB均衡但阈值~110kWcm⁻²。在低(20kWcm⁻²)与高(61kWcm⁻²)功率下对单颗粒成像，实现125±13nm(R)、112±5nm(GB)分辨率；在各自阈值处NaGdF₄:Ho,Tm进一步收缩至58nm(R)与73nm(GB)。细胞内同时使用红色LLF:Ho,Ce标记胞外肌动蛋白束，绿色/蓝色NGF:Ho,Tm则填充胞质；合并成像解析度达102±13nm(R)、78±8nm(GB)，并可追踪粒子沿纳米管运输。通过宿主选择与共掺调控，可将PPA发色从单红拓展至RGB，单束965nm二极管光实现真正多色超分辨。

图5 .PPA支持的可调色度和多色亚衍射成像

【总结】

本研究确立了并行光雪崩(PPA)纳米颗粒作为多色、室温、单离子高阶非线性荧光探针的平台。Ho³⁺的双储能层生成两条耦合反馈回路，带来N≈17–22、Pth≈22kWcm⁻²的优异性能，比早期雪崩纳米体系阈值降低两阶。机理模型解析ESA截面、CR速率和非辐射淬灭对雪崩门槛的控制，指导壳层设计与掺杂比例优化。实践中，这些颗粒可将普通CW多光子显微镜升级为可达70–90nm分辨率的双色纳米镜，并通过发色可调进一步实现三色亚衍射成像。高光稳定性、可调发光、简便氟化物化学及965nm组织透明激发的生物兼容性，使Ho³⁺-PPA纳米晶在深层非线性成像、多重生化传感与未来基于PA的纳米光子器件方面前景广阔。