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稀土元素因其独特的4f电子构型具有丰富的光学、磁学和电学特性，是现代高技术产业不可或缺的关键战略资源。中国拥有全球最大的稀土储量与产能，在稀土资源的开发利用上具有显著优势。充分挖掘稀土材料的功能潜力，推动其在前沿科技领域的应用，具有重要的战略意义。在生物医学领域，稀土元素独特的4f电子跃迁赋予了稀土荧光材料窄带发射、长荧光寿命和优异光稳定性等特点，使其在生物标记与成像中展现出广阔的应用前景。其中，镧系掺杂上转换纳米颗粒（UCNPs）能够将近红外光子转换为可见乃至紫外波段的光子，具有近红外激发、组织穿透深、自发荧光背景低和抗光漂白能力强等突出优势，已成为新一代生物荧光成像探针的重要候选。

单分子定位显微技术（Single Molecule Localization Microscopy, SMLM）依赖荧光探针在亮态和暗态之间切换，通过逐帧定位单个发光体突破光学衍射极限。传统有机染料和荧光蛋白虽然能够产生闪烁或光开关行为，但在长时间激发下容易发生光漂白，且激发光源通常为可见光，光毒性与噪声较高，限制了活细胞中动态过程的持续观测。UCNPs的近红外激发特性与优异光稳定性恰好可以弥补上述不足，然而传统上UCNPs通常被认为“不闪烁”，因此难以直接用于依赖亮暗态切换的定位超分辨成像。如何在保持上转换纳米颗粒高光稳定性的同时引入可利用的光闪烁行为，是该领域亟待解决的关键科学问题。

研究团队首次发现，通过调控Yb³⁺/Ho³⁺共掺杂上转换纳米颗粒的组成与结构，可使其在连续976 nm近红外激发下产生稳定、可重复的自发光闪烁行为。与传统荧光探针不同，该闪烁过程表现出清晰的亮态-暗态可逆转换，并在长时间观测过程中几乎不发生光漂白。研究进一步揭示，这一现象源于Yb³⁺介导的多光子激发过程与缺陷态俘获动力学的协同作用：陷阱态能够调控激发能量在发光态与暗态之间的可逆转移，从而持续产生适用于单颗粒定位的随机闪烁信号。基于这一发现，研究团队建立了自发光闪烁上转换显微技术（Spontaneous Photoblinking Upconversion Microscopy，SPUM），实现了基于单颗粒定位的超分辨成像。该方法获得约30 nm的空间分辨率，相比衍射极限实现约10倍提升，并成功应用于活细胞膜的超分辨成像以及细胞内吞小体的长时动态观测。

该工作将超分辨成像的实现机制从传统有机荧光分子的光化学过程拓展到无机发光纳米材料中的能量迁移与缺陷动力学过程，建立了基于稀土纳米发光体的全新超分辨成像框架。该方法兼具纳米尺度空间分辨率与长时间连续观测能力，为研究复杂生命体系中的动态过程提供了新的技术手段，也为发展新一代超分辨显微技术开辟了新的研究方向。

研究成果以“Spontaneous Photoblinking Upconversion Microscopy”为题发表在Nature Photonics上，2023级博士生任茂江和胡佳玲博士为该论文的第一作者，张云翔青年研究员、李富友教授和刘倩教授为通讯作者。本研究工作得到国家自然科学基金委员会和国家重点研发计划的支持。文章链接：//www.nature.com/articles/s41566-026-01937-9

图1.实验测得Yb³⁺/Ho³⁺共掺杂UCNPs在976 nm波长的激发光特定功率下展现出优异的自发光闪烁行为，具有高的信噪比和较低的占空比，且未发现任何光光漂白情况（上）；其闪烁行为可用于自组装结构的超分辨成像（左下）以及基于定位的内吞体超分辨追踪（右下）。