综述：基于发光镧系纳米晶体推进超分辨受激发射损耗显微术

受激发射损耗（stimulated emission depletion，STED）显微术突破了衍射极限，能够揭示传统光学方法难以分辨的亚细胞结构，从而推动了针对STED兼容性的荧光纳米材料设计研究。作为新兴候选体系之一，基于镧系元素的上转换纳米颗粒（upconversion nanoparticles，UCNPs）兼具多项关键优势：优异的光稳定性、大反斯托克斯位移（anti-Stokes shift）、窄带多色发射以及长寿命激发态。本文综述了STED显微术的核心原理，并系统评述了基于UCNPs的类STED超分辨成像策略。研究人员评估了不同镧系离子体系在实际应用中的优势与内在局限，并梳理了未来研究中的若干关键开放问题。通过阐明镧系发光光学动力学并促进光子学与材料科学之间的交叉融合，本文旨在加速下一代超分辨成像技术的发展。

1 INTRODUCTION

本文首先介绍了镧系掺杂上转换纳米颗粒（upconversion nanoparticles，UCNPs）的基本概念及其在超分辨成像中的研究背景。UCNPs是在无机宿主晶格中嵌入三价镧系离子（Ln³⁺）形成的一类非线性光学材料，能够在近红外（near-infrared，NIR）激发下产生反斯托克斯发射。与双光子吸收和二次谐波产生不同，镧系上转换依赖于真实存在且寿命较长的中间能级，通过连续光子吸收实现短波发光。由于4fⁿ电子组态受强自旋—轨道耦合及晶场效应调制，镧系离子具有丰富离散能级，因此可实现从紫外到近红外范围内的可调发射。文章指出，镧系离子的丰富能级也使其易发生交叉弛豫（cross relaxation），该非辐射能量转移过程已被用于调控发光、寿命以及STED、光子雪崩（photon avalanche，PA）等超分辨成像机制。

随后，文章概述了主要上转换机制，包括激发态吸收（excited-state absorption，ESA）、能量传递上转换（energy transfer upconversion，ETU）、协同敏化上转换（cooperative sensitization upconversion，CSU）、能量迁移上转换（energy migration upconversion，EMU）和光子雪崩。作者强调，近年来随着材料科学发展及对镧系光学动力学认识的加深，UCNPs研究快速推进，并已延伸至低阈值激光、安全印刷和量子光学等前沿方向。

在显微成像方面，文章指出传统荧光显微镜受衍射极限制约，空间分辨率通常约为波长的一半。超分辨荧光显微术改变了这一局面，其中受激发射损耗（STED）显微术因其高效和普适性成为纳米尺度成像的重要技术。STED通过损耗光束选择性耗尽激发光斑外围的荧光分子激发态，从而压缩点扩散函数（point spread function，PSF），实现超越衍射极限的分辨率提升。文章特别指出，荧光探针的选择对STED性能至关重要，而UCNPs相较传统探针具有三方面突出优势：其一，长寿命中间激发态有助于显著降低损耗光功率密度；其二，NIR激发可降低光损伤及自发荧光背景，适合厚样品和深层组织动态成像；其三，极高的光稳定性可避免传统荧光探针的光漂白问题。基于这些特性，UCNPs推动了STED在超分辨成像、光学数据存储（optical data storage，ODS）、显示及温度传感等方向的发展。最后，本节说明了全文结构：先介绍STED原理与实验构型，再讨论镧系离子跃迁对STED性能的决定作用，继而总结新型类STED机制及应用，并展望未来挑战。

2 WORKING MECHANISM FOR SUPER-RESOLUTION STED TECHNOLOGY

本节系统阐述了超分辨STED技术的工作机理。文章回顾了STED由Hell于20世纪90年代提出并实验证实的历史背景，并指出其与几乎所有发光材料的兼容性、较高成像效率以及广泛应用，使其成为观察组织中纳米尺度亚细胞结构和细胞动力学的重要工具。

在成像实现上，STED通常建立于共聚焦激光扫描显微镜平台之上，利用聚焦照明、样品或光束扫描以及检测通道中的针孔抑制离焦信号。作者指出，STED系统中的空间分辨率本质上由有效检测体积决定，而该检测体积可由系统的有效PSF表征。通过对样品进行逐点扫描并赋予像素荧光强度，可重建数字图像；检测体积越小，最终空间分辨率越高。

与普通共聚焦显微镜不同，STED成像要求两束同步激光：一束具有高斯分布的激发光使探针发光，另一束经调制形成“甜甜圈”形的损耗光用于抑制焦点外围的发射。二者空间重叠后，仅焦点中央未被损耗的区域保留荧光信号。其物理基础在于，当荧光探针被激发后会自发辐射返回基态，而若在其发射谱范围内施加第二束损耗激光，则可诱导受激发射，使其以与损耗光相同波长退激发，从而抑制自发荧光。由于受激发射光与自发荧光在波长上可区分，因此可通过光学滤波选择性检测后者。

文章进一步区分了脉冲STED（pulsed STED，pSTED）与连续STED（continuous STED，cSTED）。前者要求激发与损耗脉冲在空间重合且在时间上具有约百皮秒的延迟，系统复杂度较高；后者省去相位与时间匹配要求，系统更简单，但通常需要更高功率才能达到相近分辨率。关于甜甜圈光束的形成，文中介绍了涡旋相位板（vortex phase plate，VPP）与空间光调制器（spatial light modulator，SLM）两种方案：前者能量利用效率高但适用于固定波长，后者存在较大能量损耗但支持多波长且具可编程性，可用于波前像差校正。

作者随后讨论了STED成像的关键性能参数。分辨率提升依赖于提高损耗光强度并降低荧光探针的饱和强度（saturation intensity，I_sat）。而I_sat又由探针的物理性质决定，特别与荧光寿命（τ）和受激辐射淬灭吸收截面（σ_STED）密切相关，因此理想的STED探针应兼具较大的σ_STED和较长的τ。对传统荧光探针而言，典型寿命仅为1–10 ns，导致实现优于80 nm分辨率时往往需要极高的损耗功率密度，进而带来严重光毒性和热损伤，不利于活体成像。相比之下，UCNPs由于具有高亮度、优异光稳定性、较低毒性、大反斯托克斯位移以及长达几十微秒甚至毫秒级的发光寿命，在显著降低损耗光强需求的同时仍可实现高分辨成像。此外，其低能量NIR激发具有深组织穿透和低光损伤优势，因此被视为STED超分辨成像的重要探针体系。

3 SUPER-RESOLUTION STED-LIKE TECHNIQUES USING LANTHANIDE-DOPED UCNPs

3.1 Super-resolution ESA and EMU microscopy

本节介绍基于ESA和EMU机制的类STED超分辨方法。作者指出，ESA和EMU是镧系离子中常见的两类上转换过程，均受益于其丰富离散能级与真实中间态，因此适合构建发光损耗过程。尽管ESA超分辨显微术在实验构型上与STED相似，同样使用高斯激发光与甜甜圈抑制光，但其核心原理并非受激发射，而是受激吸收。

文章以Pr³⁺掺杂YAG纳米颗粒为例介绍了早期ESA超分辨成像方案。609 nm高斯激发首先将Pr³⁺布居到¹D₂态，随后532 nm光进一步诱导ESA至4f5d(1)能级。甜甜圈形532 nm连续光快速耗尽焦点外围¹D₂态粒子，并产生提前紫外发射；由于¹D₂态寿命远长于4f5d(1)态，焦点中心在读出前仍可保留布居。最终通过时间门控方式仅采集读出脉冲期间的紫外信号，实现了54 nm横向分辨率。作者同时指出，该方案受限于紫外上转换损耗、高度复杂的光路和精确时序同步，因此难以广泛推广。

随后，文章提到另一项基于NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺的ESA发光淬灭工作，其中795 nm激发下Er³⁺绿光发射可被1140 nm光诱导ESA过程抑制，但整体损耗效率仅约30%，距离实用仍较远。

对于EMU过程，文章强调其适用于缺乏合适长寿命中间态的激活离子，如Sm³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺和Eu³⁺。通过在NaGdF₄:Yb³⁺/Tm³⁺@NaGdF₄:X³⁺结构中利用Tm³⁺的发光损耗特性，可间接实现其他镧系离子发射的超分辨调控，例如Tb³⁺发绿光体系。文中指出，该思路具备拓展到更多镧系离子的潜力，但后续系统研究仍较有限。

3.2 Super-resolution STED microscopy

本节聚焦真正基于受激发射损耗的镧系UCNPs超分辨显微术进展。文章指出，尽管STED早已广泛用于有机染料与荧光蛋白，但直至2017年，利用NaYF₄:Yb³⁺/Tm³⁺纳米颗粒才实现了关键突破。该体系采用980 nm高斯激发和808 nm甜甜圈损耗光，检测455 nm上转换发射。高浓度Tm³⁺掺杂增强了交叉弛豫，形成类似PA效应，快速布居亚稳态³H₄并建立相对于基态³H₆的粒子数反转；808 nm光与³H₄→³H₆共振，触发放大受激发射，从而耗尽中间态并阻止向更高能级传能，最终抑制蓝色上转换发射。该方案实现了0.19 MW/cm²的低饱和强度和28 nm空间分辨率。

几乎同期，研究人员还基于高Tm³⁺掺杂体系与EMU结构实现了多色超分辨STED，尤其在NaGdF₄:Yb³⁺/Tm³⁺@NaGdF₄:Eu³⁺/Tb³⁺纳米结构中获得了多通道成像能力，并将其用于HeLa细胞细胞骨架和结蛋白标记，最佳分辨率达到82 nm。这一工作标志着UCNPs超分辨技术进入实际生物应用阶段。但作者也指出，高Tm³⁺掺杂会引起浓度猝灭，削弱发光亮度。

为避免重掺杂带来的亮度下降，文中还介绍了轻掺Tm³⁺体系中采用980 nm激发和1550 nm损耗的双波长策略，其455 nm发射可实现超过90%的抑制，说明低掺杂体系同样可用于STED设计。不过，约1500 nm波段强水吸收限制了其生物成像适用性。

除Tm³⁺和Er³⁺外，Eu³⁺和Dy³⁺体系也被报道可实现STED发光抑制，且无需EMU辅助。然而这两类体系的饱和强度明显更高，接近有机染料水平，因此需要极高损耗功率，实际应用受限。

文章特别强调了Nd³⁺在全近红外STED中的重要性。基于NaYF₄:Nd³⁺下转换纳米颗粒，研究者采用808 nm激发、1064 nm损耗和864 nm发射，实现了98.8%的发光抑制和约70 nm分辨率，并在约50 μm深组织中获得高对比成像。该体系的全部工作波长均位于生物透明窗口，兼具低光毒性与深穿透能力，拓展了镧系离子在STED中的应用空间。

3.3 Super-resolution SMED microscopy

本节讨论表面迁移发射损耗（surface-migration emission depletion，SMED）机制。作者指出，虽然镧系离子因长寿命发射态而具有较低STED阈值，但单纯追求更长寿命会带来成像速度慢和发光亮度低的问题。因此，需要探索新的高效损耗机制，以进一步降低饱和强度并兼顾性能。

SMED策略的核心在于将传统上被视为不利因素的表面缺陷与表面态转化为可利用的能量耗散通道。该方法采用NaGdF₄:Yb³⁺/Tm³⁺纳米颗粒，在975 nm激发下通过Yb³⁺向Tm³⁺传能形成475 nm和650 nm发射。当施加730 nm损耗光时，Tm³⁺的¹G₄态经ESA被泵浦至更高的¹I₆态，之后由于其与Gd³⁺的⁶P_7/2态存在能级匹配，能量被高效耦合至Gd³⁺子晶格。Gd³⁺进一步构成大范围能量迁移网络，将能量输运至表面淬灭位点，实现空间与能量双重导向的损耗过程。该体系在较低饱和强度下即可实现超过95%的发射损耗，单颗粒成像的平均横向半高全宽（full width at half maximum，FWHM）约20 nm，最小可达16.8 nm。作者认为，SMED为理解和调控纳米颗粒表面态提供了新视角，并有望推动高性能发光纳米探针、衍射极限外成像、ODS及光刻等方向的发展。

3.4 Super-resolution STExD microscopy

本节介绍受激发射诱导激发损耗（stimulated emission induced excitation depletion，STExD）策略。作者指出，传统镧系STED往往需要直接操控发射激活离子，但适用于镧系纳米颗粒的光学开关种类有限且难以调谐。考虑到镧系上转换多依赖敏化剂—激活剂之间的ETU过程，因此若能阻断敏化剂向激活剂供能，便可间接实现发射损耗。

基于这一思路，研究人员提出了STExD级联放大损耗机制。在NaYF₄:Nd³⁺/Yb³⁺/Ln³⁺（Ln³⁺ = Er³⁺、Ho³⁺、Pr³⁺、Eu³⁺、Tb³⁺）纳米颗粒中，740 nm激发与1064 nm甜甜圈损耗光配合使用，首先在Nd³⁺体系中实现近乎完全的发光抑制；随后借助Yb³⁺作为能量桥梁，将这一损耗效应扩展至多种激活离子，实现多色超分辨成像。文中给出的单颗粒线轮廓分析显示，Nd³⁺、Er³⁺和Ho³⁺体系分别可达到34 nm、44 nm和76 nm横向分辨率。作者认为，STExD避免了传统STED在激光方案和多色成像光路上的局限，为低光毒性、深组织穿透的近红外二区（NIR-II）超分辨成像奠定了基础，并在光学传感、光遗传学及超分辨光刻等领域具有广阔前景。

4 SUPER-RESOLUTION STED APPLICATIONS USING LANTHANIDE-DOPED UCNPs

4.1 Super-resolution STED cellular imaging

本节总结了镧系掺杂UCNPs在细胞超分辨成像中的应用。文章指出，自21世纪初以来，UCNPs凭借高亮度和高光稳定性成为组织与细胞成像的重要发光探针。NIR激发带来的深穿透、低自发荧光背景、低光热效应及低光毒性，使其天然适合生物体系；同时，其表面易于由疏水改性为亲水，且细胞毒性较低。

在具体应用方面，研究者利用聚丙烯酸表面修饰UCNPs并偶联抗体，实现了HeLa细胞中细胞骨架相关蛋白的特异标记，获得约82 nm横向分辨率，而且所需STED光束密度较传统荧光染料低两个数量级。对于更具穿透优势的全近红外体系，基于Nd³⁺纳米探针的808 nm激发、1064 nm损耗和850–900 nm发射方案可在HeLa细胞微管免疫标记成像中实现57 nm分辨率，并在不同厚度小鼠脑片中维持约70 nm分辨率，且无需像差校正。除此之外，采用鬼笔环肽（phalloidin）介导的表面生物偶联后，UCNPs还可对固定HeLa细胞中的肌动蛋白丝进行SMED成像，获得最高109 nm分辨率。文章认为，这些进展表明基于镧系纳米颗粒的STED类技术正在推动单组分分析及异质纳米颗粒结构解析等新应用。

4.2 Super-resolution STED display

在显示应用方面，作者指出，通过调控镧系掺杂组成与颗粒尺寸，UCNPs可在红、绿、蓝波段产生特定上转换发射，因此适用于显示和照明。其高发光稳定性和抗光漂白特性尤其利于构建RGB像素。

文中介绍了一种多层镧系掺杂纳米棒结构，其核心区掺杂Er³⁺发绿光，中间层掺杂Yb³⁺/Tm³⁺发蓝光，外层掺杂Yb/Er发红光，并辅以惰性NaYF₄层。通过不同空间模式和波长的激发光可对不同发光层进行选择性激活：例如，980 nm甜甜圈光束可激发红层和蓝层，而808 nm高斯光束激发绿层；两者联合照射时则可产生白光发射。文章认为，进一步通过受控合成各向异性和异质结构UCNPs，并结合超分辨表征，可继续提升其显示性能。

4.3 Super-resolution STED data storage

本节讨论超分辨光学数据存储应用。文章指出，低能耗、高容量和高安全性的ODS技术对于人工智能与大数据时代的海量信息存储具有重要意义。UCNPs在ODS方面已展现出显著潜力，而超分辨技术的引入进一步提升了存储密度。

作者重点介绍了Yb³⁺/Tm³⁺掺杂UCNPs与氧化石墨烯（graphene oxide，GO）复合材料用于超分辨光学写入的方案。该体系采用980 nm和808 nm双光束：980 nm激发UCNPs产生高能光子，通过共振能量转移将GO还原为rGO；808 nm光则耗尽UCNPs的上转换发光并进一步抑制GO还原。借助这一写入—抑制协同机制，超分辨数据位的横向特征尺寸可达50 nm，从而实现接近单张DVD尺寸介质上700 TB的数据存储容量。文章同时指出，这类光学STED纳米光刻每比特通常仅消耗毫焦级能量，对超分辨光刻技术发展也具有推动作用。

4.4 Super-resolution STED temperature sensing

最后，文章总结了STED在超分辨温度传感中的应用价值。随着微型电子、光电子和数据存储器件的发展，纳米尺度温度测量愈发关键，而传统测温方法受衍射极限制约，难以满足高空间精度需求。基于上转换纳米颗粒的STED成像为光学超分辨纳米测温提供了新的实现路径。

具体而言，研究中采用975 nm激发和808 nm损耗光，对高Tm³⁺掺杂NaYF₄:Yb³⁺/Tm³⁺ UCNPs的两个温敏发射峰490 nm与515 nm的强度比进行比率测温，获得120 nm空间分辨率。作者认为，该策略有助于揭示极微小区域内的局域温度变化，特别适用于微电子器件、光电子器件及其他对高分辨率和高精度温度测量有需求的场景。

5 RESEARCH DIRECTIONS AND CHALLENGES

5.1 Ultrasmall, brighter lanthanide-doped UCNPs

在未来研究方向方面，文章首先强调超小且高亮的镧系掺杂UCNPs对超分辨应用至关重要，因为较大的纳米颗粒会直接限制空间分辨率提升。然而，超小颗粒由于表面积/体积比极高，往往面临严重的表面相关淬灭损失。作者指出，过去数十年中已发展出多种提升超小UCNPs亮度的策略，包括宿主晶格优化、核壳工程、局域电磁场调控和宽带敏化等，并计划分析这些方法在超分辨STED应用中的优缺点。

5.1.1 Optimizing the host lattice

在该小节已给出的内容中，作者指出，优化宿主晶格是构筑超小尺寸UCNPs的重要途径之一，并举例说明已有研究实现了尺寸约2.7 nm的NaYF₄:Ce³⁺/Tb³⁺纳米颗粒。这表明通过合理选择宿主与掺杂体系，可在减小颗粒尺寸的同时维持可观发光性能。由于原文在此处截断，关于该小节后续具体比较与结论，本文不作延伸。