Indefinite and bidirectional near-infrared nanocrystal photoswitching

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作者
Changhwan Lee,Emma Xu,Kevin W. C. Kwock,Ayelet Teitelboim,Yawei Liu,Hye Sun Park,Benedikt Ursprung,Mark E. Ziffer,Yuzuka Karube,Natalie Fardian‐Melamed,Cássio Cardoso Santos Pedroso,Jong-Woo Kim,Stefanie D. Pritzl,Sang Hwan Nam,Theobald Lohmueller,Jonathan S. Owen,Peter Ercius,Yung Doug Suh,Bruce E. Cohen,Emory M. Chan,P. James Schuck
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:618 (7967): 951-958 被引量:51
标识
DOI:10.1038/s41586-023-06076-7
摘要

Materials whose luminescence can be switched by optical stimulation drive technologies ranging from superresolution imaging1-4, nanophotonics5, and optical data storage6,7, to targeted pharmacology, optogenetics, and chemical reactivity8. These photoswitchable probes, including organic fluorophores and proteins, can be prone to photodegradation and often operate in the ultraviolet or visible spectral regions. Colloidal inorganic nanoparticles6,9 can offer improved stability, but the ability to switch emission bidirectionally, particularly with near-infrared (NIR) light, has not, to our knowledge, been reported in such systems. Here, we present two-way, 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 photobrightening12,14-16, we demonstrate indefinite photoswitching of individual nanoparticles (more than 1,000 cycles over 7 h) in ambient or aqueous conditions without measurable photodegradation. Critical steps of the photoswitching mechanism are elucidated by modelling and by measuring the photon avalanche properties of single ANPs in both bright and dark states. Unlimited, reversible photoswitching of ANPs enables indefinitely rewritable two-dimensional and three-dimensional multilevel 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.
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