Unlocking Multimodal Nonlinear Microscopy for Deep‐Tissue Imaging under Continuous‐Wave Excitation with Tunable Upconverting Nanoparticles

材料科学 光子上转换 激光器 显微镜 超短脉冲 连续波 激发 穿透深度 光电子学 光学 生物医学工程 纳米技术 兴奋剂 医学 物理 电气工程 工程类
作者
Jeongmo Kim,Seunghun Lee,Yundon Jeong,Kyunghwan Kim,K. B. Nam,Hyungwon Jin,Y.W. Choi,Hyunjin Kim,Heungjin Ryu,Ki Hean Kim,Jae‐Ick Kim,Jongnam Park,Jinmyoung Joo,Jung‐Hoon Park
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adma.202502739
摘要

Nonlinear microscopy provides excellent depth penetration and axial sectioning for 3D imaging, yet widespread adoption is limited by reliance on expensive ultrafast pulsed lasers. This work circumvents such limitations by employing rare-earth doped upconverting nanoparticles (UCNPs), specifically Yb3+/Tm3+ co-doped NaYF4 nanocrystals, which exhibit strong multimodal nonlinear optical responses under continuous-wave (CW) excitation. These UCNPs emit multiple wavelengths at UV (λ ≈ 450 nm), blue (λ ≈ 450 nm), and NIR (λ ≈ 800 nm), whose intensities are nonlinearly governed by excitation power. Exploiting these properties, multi-colored nonlinear emissions enable functional imaging of cerebral blood vessels in deep brain. Using a simple optical setup, high resolution in vivo 3D imaging of mouse cerebrovascular networks at depths up to 800 µmm is achieved, surpassing performance of conventional imaging methods using CW lasers. In vivo cerebrovascular flow dynamics is also visualized with wide-field video-rate imaging under low-powered CW excitation. Furthermore, UCNPs enable depth-selective, 3D-localized photo-modulation through turbid media, presenting spatiotemporally targeted light beacons. This innovative approach, leveraging UCNPs' intrinsic nonlinear optical characteristics, significantly advances multimodal nonlinear microscopy with CW lasers, opening new opportunities in bio-imaging, remote optogenetics, and photodynamic therapy.
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