光学纳米粒子的光捕获基础知识和应用

本文回顾了光学捕获光学纳米颗粒的基础知识和应用。光学纳米粒子是当今光子学的关键要素之一。它们不仅允许对大量系统(从细胞到微电子)进行光学成像，而且还可以充当高度灵敏的远程传感器。近年来，光镊在分离和操纵单个光学纳米颗粒方面取得了成功。这为高分辨率单粒子扫描和传感打开了大门。在这个快速发展的领域，现在有必要总结迄今为止所取得的成就，以确定每个应用所需的适当系统和实验设置。

本文总结了单个光学纳米粒子的光学捕获领域中最相关的结果。根据不同的材料及其光学性质，光学纳米粒子分为五类：等离子体纳米粒子、稀土掺杂纳米粒子、聚合物纳米粒子、半导体纳米粒子和纳米金刚石。对于每种情况，都描述了主要进展和应用。

等离子体纳米颗粒具有较大的极化率和较高的光热转换效率，这需要对其捕获波长进行严格的选择。基于光学捕获等离子体纳米粒子的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。

稀土掺杂纳米颗粒具有窄发射带、长荧光寿命和温度敏感的发射强度。本综述总结了已报道的通过单个光学捕获的稀土掺杂纳米粒子实现的电池温度传感。稀土掺杂纳米颗粒主体的结构特性允许这些颗粒旋转。对于固定的激光功率，旋转速度取决于介质粘度。研究表明，这一特性可用于测量细胞内粘度。此外，镧系元素掺杂纳米粒子的充分表面功能化使其能够用于化学传感。

将染料掺入聚合物纳米颗粒中使它们发光并且易于在光陷阱内追踪。这篇综述总结了利用跟踪粒子发光的能力对单纳米粒子动力学和生物样品表征的研究。它不仅有助于更彻底地理解捕获激光和光学粒子之间的光学和机械相互作用，而且还指出了光学捕获与荧光或扫描显微镜相结合的巨大潜力。

半导体纳米颗粒由于其特殊的光致发光特性(例如可调谐发射、较低的光漂白敏感性、高量子产率和化学稳定性)最近引起了极大的关注。在这篇综述中，作者总结了利用光镊研究和改善单个半导体纳米粒子的发光性能的研究。他们还总结了使用半导体粒子作为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(称为色心)引起的。文献研究揭示了有关纳米金刚石光学捕获的报道数量有限。关于该主题的第一份报告表明，单个纳米金刚石可以用作磁场传感器。后来，光捕获纳米金刚石也被证明可以用作细胞温度计。

这篇综述文章揭示了光学捕获和胶体光学纳米粒子的组合如何用于多种应用。尽管光镊在单纳米粒子研究方面具有巨大潜力，但该领域仍处于起步阶段。大多数作品侧重于应用而不是填补知识空白。有一些问题仍然悬而未决。该综述总结了纳米粒子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、可能存在传感偏差等。该综述有望促进该领域的不断丰富和发展对该领域的原理、技术、设备和应用进行研究。