稀土离子具有阶梯状的4f能级，是优异的非线性发光中心。光子雪崩作为一种特殊的上转换发光机制，激发波长匹配稀土离子的激发态吸收，在离子间交叉弛豫的协同作用下，可实现高阶（N≥10）非线性上转换发光。光子雪崩的高阶非线性发光在超分辨光学成像等领域具有独特的优势：常规显微镜搭配连续光，即可获得突破衍射极限的超分辨图像，无需图像后处理算法，显著简化了超分辨成像系统架构。然而，传统光子雪崩发光机制受限于单一中间能级和激发态能级的能量循环，仅能产生单一波长的发光。这一局限性制约了其在多色成像、动态示踪等领域的应用。因此，发展发光可调的光子雪崩机制，实现多重能量循环路径的协同调控，是拓展光子雪崩应用维度的重要途径。

近日，北京大学化学与分子工程学院的严纯华/孙聆东课题组联合华南师范大学的詹求强课题组，在《自然•光子学》（Nature Photonics）上发表题为“Parallel photon avalanche nanoparticles for tunable emission and multicolour sub-diffraction microscopy”的研究论文，报道了一种新型光子雪崩上转换发光机制——并行光子雪崩（parallel photon avalanche，PPA）。该机制中，稀土离子具备两个中间能级，且经由激发态吸收分别关联至不同激发态能级。这种独特的能级构型使其在单一波长激发下，可同时维持两组并行运作且相互独立的能量循环路径，实现颜色可调的高阶非线性发光（图1）。

图1.并行光子雪崩（PPA）发光机理示意图

研究团队以Ho3+作为发光中心，利用具有毫秒级寿命的5I7、5I6双中间能级构建PPA机制。在965 nm连续波长激光的激发下，通过5I75F5、5I65S2/5F4激发态吸收，同步激活红光（645 nm，5F55I8）与绿光（540 nm，5S2/5F45I8）发射；额外的激发态吸收和交叉弛豫还可触发蓝光（485 nm，5F2,3/5K85I8）发射，产生红、绿、蓝多色光子雪崩上转换发光。在约20 nm Ho3+掺杂的NaGdF4:Ho@NaYF4纳米晶中，通过核壳结构抑制非辐射弛豫、控制Ho3+的掺杂浓度调节交叉弛豫，实现了17–22阶非线性、~22 kW/cm2温和激发阈值的PPA多色发光。利用PPA纳米晶的高阶非线性发光，在常规单光束多光子显微镜上获得了74 nm的成像分辨率，实现了对细胞间肌动蛋白丝（隧道纳米管）的标记与超分辨成像（图2）。

图2. Ho3+的并行光子雪崩机理与多色高阶非线性发光

基于相互独立运行的两组光子雪崩发光，研究团队实现了将PPA从近单色红光（LiLuF4:Ho,Ce@LiYF4）至红/绿/蓝多色发光（NaGdF4:Ho,Tm@NaYF4）的调节，实现了分别标记细胞质、细胞间肌动蛋白丝的超分辨图像，成像分辨率达到102 nm（红）与78 nm（蓝/绿）（图3）。

图3. 细胞质、细胞间肌动蛋白丝的多色超分辨成像

综上，PPA机制突破了传统光子雪崩在多色发光应用的局限，为多色超分辨光学成像提供了简易的新方案，为稀土纳米晶在多色超分辨成像等领域的应用打开了新的研究路径。

北京大学的孙聆东教授、严纯华教授与华南师范大学的詹求强教授为该论文的通讯作者，北京大学的董浩副研究员为该论文的第一作者。该工作获得了国家自然科学基金重点项目、科技部国家重点研发计划等项目的资助。

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-025-01671-8

审核：牛林，刘志博