[论文解读] Indefinite and Bidirectional Near Infrared Nanocrystal Photoswitching

Changhwan Lee, Emma Xu+15 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2022

Photodynamic Therapy Research Studies被引用 5

一句话总结

本研究展示了利用近红外（NIR）光在NIR-I和NIR-II窗口内实现上转换纳米晶体的无限、双向光开关，可实现超过1,000次循环而无光降解。通过利用单步光致变暗和光致变亮过程，该方法实现了亚埃级定位的超分辨率，并在二维和三维空间中实现了无限可重写的光学图案化。

ABSTRACT

Materials whose luminescence can be switched by optical stimulation drive technologies ranging from superresolution imaging1-4, nanophotonics5, and optical data storage6-8, to targeted pharmacology, optogenetics, and chemical reactivity9. These photoswitchable probes, including organic fluorophores and proteins, are prone to photodegradation, and often require phototoxic doses of ultraviolet (UV) or visible light. Colloidal inorganic nanoparticles have significant stability advantages over existing photoswitchable materials, but the ability to switch emission bidirectionally, particularly with NIR light, has not been reported with nanoparticles. Here, we present 2-way, near-infrared (NIR) photoswitching of avalanching nanoparticles (ANPs), showing full optical control of upconverted emission using phototriggers in the NIR-I and NIR-II spectral regions useful for subsurface imaging. Employing single-step photodarkening10-13 and photobrightening12,14-18, we demonstrate indefinite photoswitching of individual nanoparticles (>1000 cycles over 7 h) in ambient or aqueous conditions without measurable photodegradation. Critical steps of the photoswitching mechanism are elucidated by modeling and by measuring the photon avalanche properties of single ANPs in both bright and dark states. Unlimited, reversible photoswitching of ANPs enables indefinitely rewritable 2D and 3D multi-level optical patterning of ANPs, as well as optical nanoscopy with sub-Å localization superresolution that allows us to distinguish individual ANPs within tightly packed clusters.

研究动机与目标

• 开发一种具有长期稳定性和可逆光学控制能力的光开关纳米材料平台，使用生物相容的近红外光。
• 克服传统有机荧光染料和蛋白质对紫外光/可见光的依赖性及其光降解问题。
• 利用具有亚埃级定位能力的纳米晶体，实现高精度光学纳米显微成像和三维光学数据存储。
• 仅使用近红外光触发器，在明亮和暗淡状态之间实现双向切换，适用于深层组织成像。

提出的方法

• 采用具有光子雪崩上转换效应的 avalanche 纳米晶体（ANPs），以增强非线性光学响应。
• 在NIR-I（700–1000 nm）和NIR-II（1000–1400 nm）光谱区域，利用单步光致变暗和光致变亮过程，通过近红外光可逆调节发光强度。
• 通过单颗粒光谱学测量，分析明亮态和暗淡态下的发光动力学及光子雪崩特性。
• 通过建模阐明能量转移和缺陷介导机制在光开关行为中的作用。
• 利用空间可控的近红外照射实现二维和三维光学图案化。
• 通过区分密集簇集中单个ANPs，实现亚埃级定位的超分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用近红外光，将上转换纳米晶体可逆地在明亮态和暗淡态之间切换？
• RQ2 在环境或水溶液条件下，ANPs是否可实现无明显光降解的无限次循环？
• RQ3 双向光开关是否能实现在光学纳米显微中的亚埃级定位？
• RQ4 在单颗粒水平上，ANPs中光致变暗和光致变亮的物理机制是什么？
• RQ5 近红外光开关是否能实现无限、可重写的二维和三维光学数据存储，并具备高空间精度？

主要发现

• ANPs在7小时内实现了超过1,000次可逆光开关循环，且在环境或水溶液条件下无明显光降解。
• 通过NIR-I和NIR-II光触发器实现了双向切换，实现了无需紫外光或可见光的光学控制。
• 展示了亚埃级定位的超分辨率，即使在紧密堆积的簇集中也能清晰区分单个ANPs。
• 单颗粒测量显示，明亮态和暗淡态下具有不同的光子雪崩动力学，支持缺陷介导的开关机制。
• 通过空间调制的近红外照射，实现了无限、可重写的二维和三维光学图案化。
• 建模结果证实了光开关机制，并与上转换效率及缺陷态种群的变化相关联。