光学纳米粒子的光学捕获：基础与应用

光学纳米粒子的光学捕获及其应用。来源：《光电子科学》（2023 年）。DOI: 10.29026/oes.2023.230019

《Opto-Electronic Science》发表了一篇新文章，回顾了光学纳米粒子的基本原理和应用。光学纳米粒子是光子学的关键要素之一。它们不仅能对大量系统（从细胞到微电子学）进行光学成像，还能充当高灵敏度的远程传感器。

光镊在分离和操纵单个光学纳米粒子方面的成功最近得到了证实。这为高分辨率单颗粒扫描和传感打开了大门。

本文综述了在快速发展的单个光学纳米粒子的光捕获领域中最相关的研究成果。根据不同的材料及其光学特性，光学纳米粒子可分为五大类：等离子体纳米粒子、掺杂镧系元素的纳米粒子、聚合物纳米粒子、半导体纳米粒子和纳米金刚石。对每种纳米粒子的主要进展和应用都作了介绍。

等离子体纳米粒子具有较大的偏振性和较高的光热转换效率，这就要求对其捕获波长进行严格选择。基于光学捕获的等离子体纳米粒子的发光特性的典型应用是研究粒子与粒子之间的相互作用和温度传感。这项研究是通过分析电致发光纳米粒子的辐射波长来完成的。基于光学捕获等离子体纳米粒子发光特性的典型应用是粒子间相互作用和温度传感的研究。这项研究是通过分析纳米粒子吸收、散射或发射的辐射来完成的。

掺杂镧系元素的纳米粒子具有发射带窄、荧光寿命长、发射强度对温度敏感等特点。本综述总结了通过单个光学捕获掺杂镧系元素的纳米粒子实现细胞温度传感的报道。掺镧纳米粒子宿主的结构特性允许这些粒子旋转。在激光功率固定的情况下，旋转速度取决于介质的粘度。研究表明，这一特性可用于测量细胞内粘度。此外，对掺杂镧系元素的纳米粒子进行适当的表面功能化处理，可将其用于化学传感。

在聚合物纳米粒子中加入染料可使其发光，并易于在光学陷阱中进行跟踪。本综述总结了利用跟踪粒子发光的能力对单个纳米粒子动态和生物样本特性的研究。它不仅有助于更透彻地理解诱捕激光与光学粒子之间的光学和机械相互作用，还指出了将光学诱捕与荧光或扫描显微镜相结合的巨大潜力。

半导体纳米粒子因其特殊的光致发光特性（如可调发射、较低的光漂白敏感性、较高的量子产率和化学稳定性）而在近期受到广泛关注。在这篇综述中，作者总结了利用光镊研究和改进单个半导体纳米粒子发光特性的研究。他们还总结了将半导体微粒用作细胞成像的局部激发源的研究。

纳米金刚石的荧光是由金刚石结构中的点缺陷（即色心）引起的。文献研究显示，有关纳米金刚石光学捕获的报道数量有限。第一份相关报告显示，单个纳米金刚石可用作磁场传感器。后来，光学捕获纳米金刚石还被证明可用作细胞温度计。

这篇综述文章还揭示了如何将光学捕获和胶体光学纳米粒子结合起来，用于各种不同的应用。尽管光镊在单纳米粒子研究方面具有巨大潜力，但这一领域仍处于起步阶段。大多数研究都侧重于应用，而不是填补知识空白。还有一些问题尚未解决。

本文总结了纳米粒子的光学捕获所面临的挑战，包括缺乏描述光学力的精确公式、不确定的空间分辨率、可能存在的传感偏差等。本文的综述将促进该领域在原理、技术、设备和应用等方面的研究不断丰富和发展。