在生命体系中，分子与细胞器的动态过程决定了其生理功能。长期以来，受限于荧光探针的光漂白与信号衰减，如何在活细胞环境下实现长时间、低背景、单粒子分辨的精准观测，一直是单分子（粒子）成像领域的核心挑战。复旦大学化学系SMILe课题组围绕稀土上转换纳米材料（UCNPs）的结构调控，系统构建了“材料设计 → 单粒子亮度 → 活细胞成像 → 定量动力学解析”的完整研究路线，先后在膜蛋白受体与神经元轴突货物运输的长时实时示踪方面取得系列突破性进展。
图1. 基于稀土上转换单粒子示踪
针对UNCPs“小即暗”的瓶颈，研究团队提出在活化剂（Er3+）外层引入NaYbF4能量迁移中间层并配合超薄的NaLuF4惰性壳的“级联主动保护”（capUCNPs）策略：中间层既增大光子采集效率又隔离Er³⁺的表面淬灭效应；仅0.5 nm厚的NaLuF4即可显著抑制Yb3+表面能量泄露，使得优化后的亚10 nm颗粒在单粒子水平较常规≈20 nm体系实现33倍上转换效率提升。基于该材料，团队首次在活细胞中实现膜蛋白受体的小时级单粒子追踪，直观捕获扩散模式在一条轨迹内的多次转换，定位精度达到 10 nm 量级。该成果以：“Sub-10 nm Upconversion Nanocrystals for Hours-Long Single-Particle Tracking”发为题在线发表于《Nature Communications》杂志。（全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-64180-w）
在另一项研究中，团队进一步发展了碱土金属基Sr-UCNPs体系，实现膜蛋白长时单颗粒示踪。研究采用锶（Sr）为晶格基质，构建“核–活性壳–惰性壳”三层结构，在保持约 10 nm 小尺寸的同时，将单粒子亮度提升至传统钠基 UCNPs 的 4.6 倍。该探针在 U2OS 细胞膜上成功实现 超过 1 小时的 EGFR 动态追踪，并解析出固定、受限、自由扩散与定向迁移四种运动状态及其可逆转换；进一步通过 Latrunculin A 原位扰动实验，证实细胞骨架对受体运动的关键调控作用。该研究成果以“Long-Term Single-Particle Tracking of Membrane Proteins Enabled by Upconversion Alkaline-Earth Nanoprobes”为题在线发表于《Nano Letters》杂志。（全文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.5c01945）
此外，研究团队通过敏化剂/活化剂几何结构分离并将Yb³⁺引入核心形成“合金核”（Yb/Er）以强化Yb→Yb能量迁移网络，在抑制BET（反向能量传递）同时显著提升单粒子亮度；系统优化显示Er3+≈10%为最佳掺杂，1.5 nm惰性壳在尺寸与亮度间取得最优平衡。基于该系列UCNPs，团队在活DRG神经元中开展上转换单粒子追踪（uSPT），利用HMM-Bayes解析出扩散/顺行/逆行运输三态之间的状态转移与速度分布；发现顺行运动可促进逆行激活的马达蛋白协同迹象，并定量评估多巴胺与ciliobrevin D等分子对轴突运输的调控效应。该研究成果以“Enhanced Single-Particle Upconversion Imaging via Energy Migration Boosting”为题在线发表于《Advanced Science》杂志。（全文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202510624）
以上研究工作展示了稀土纳米结构设计与能量迁移调控，可以提升UCNPs的单粒子亮度与成像鲁棒性，为受体信号转导、药物筛选、神经退行性疾病机制等研究提供了小时级的时间尺度单粒子示踪观测手段。
复旦大学化学系刘倩青年研究员和张云翔青年研究员为该系列论文的共同通讯作者。其中，发表于《Nature Communications》的工作得到了上海交通大学李富友教授以及劳伦斯伯克利国家实验室 Emory Chan 博士的大力支持，为该论文的共同通讯作者。
参考文献
Sub-10 nm upconversion nanocrystals for long-term single-particle tracking, Xiaochen Qiu, Daoming Guan, Xiaojing Xia, HuanLing, JialingHu, Yunxiang Zhang* ,EmoryChan*, FuyouLi*, QianLiu*, Nat. Commun., 2025, 16, 9408. https://doi.org/10.1038/s41467-025-64180-w.
