Een nieuw artikel gepubliceerd in Opto-Electronic Science bespreekt de grondbeginselen en toepassingen van optisch gevangen optische nanodeeltjes. Optische nanodeeltjes zijn een van de belangrijkste elementen van fotonica. Ze maken niet alleen optische beeldvorming mogelijk van een groot aantal systemen (van cellen tot micro-elektronica), maar gedragen zich ook als zeer gevoelige sensoren op afstand.

Het succes van optische pincetten bij het isoleren en manipuleren van individuele optische nanodeeltjes is onlangs aangetoond. Dit heeft de deur geopend voor het scannen en detecteren van afzonderlijke deeltjes met hoge resolutie.

De meest relevante resultaten op het snelgroeiende gebied van optische vangst van individuele optische nanodeeltjes worden in dit artikel samengevat. Volgens verschillende materialen en hun optische eigenschappen worden de optische nanodeeltjes ingedeeld in vijf families:plasmonische nanodeeltjes, met lanthanide gedoteerde nanodeeltjes, polymere nanodeeltjes, halfgeleider nanodeeltjes en nanodiamanten. Voor elke casus zijn de belangrijkste ontwikkelingen en toepassingen beschreven.

Plasmonische nanodeeltjes hebben een grotere polariseerbaarheid en een hoge conversie-efficiëntie van licht naar warmte, waarvoor een kritische selectie van de vanggolflengte vereist is. De typische toepassingen gebaseerd op de luminescentie-eigenschappen van de optisch gevangen plasmonische nanodeeltjes zijn de studie van deeltjes-deeltjesinteractie en temperatuurmeting. Dit onderzoek wordt uitgevoerd door het analyseren van de straling die wordt geabsorbeerd, verstrooid of uitgezonden door nanodeeltjes.

Met lanthanide gedoteerde nanodeeltjes hebben smalle emissiebanden, een lange fluorescentielevensduur en een temperatuurgevoelige emissie-intensiteit. Deze review vat de gerapporteerde celtemperatuurmeting samen die wordt bereikt door de enkele optisch gevangen, met lanthanide gedoteerde nanodeeltjes. De structurele eigenschappen van de gastheer van met lanthanide gedoteerde nanodeeltjes zorgen ervoor dat deze deeltjes kunnen roteren. Bij een vast laservermogen hangt de rotatiesnelheid af van de mediumviscositeit. Studies hebben aangetoond dat deze eigenschap kan worden gebruikt om de intracellulaire viscositeit te meten. Bovendien maakt een adequate oppervlaktefunctionalisering van met lanthanide gedoteerde nanodeeltjes het gebruik ervan bij chemische detectie mogelijk.

Door kleurstoffen in de polymere nanodeeltjes op te nemen, worden ze lichtgevend en gemakkelijk te volgen binnen de optische valstrik. Deze review vat het onderzoek samen van de dynamiek van afzonderlijke nanodeeltjes en karakteriseringen van biologische monsters door gebruik te maken van het vermogen om de luminescentie van deeltjes te volgen. Het vergemakkelijkt niet alleen een grondiger begrip van de optische en mechanische interactie tussen de invangende laser en optische deeltjes, maar wijst ook op het grote potentieel van het combineren van optische insluiting met fluorescentie of scanningmicroscopie.

Halfgeleidernanodeeltjes hebben de laatste tijd veel aandacht gekregen dankzij hun speciale fotoluminescentie-eigenschappen, zoals afstembare emissie, lagere gevoeligheid voor fotobleken, hoge kwantumopbrengsten en chemische stabiliteit. In deze review vatten de auteurs het onderzoek samen naar het gebruik van optische pincetten om de luminescentie-eigenschappen van afzonderlijke halfgeleidernanodeeltjes te bestuderen en te verbeteren. Ze vatten ook het onderzoek samen naar het gebruik van halfgeleiderdeeltjes als gelokaliseerde excitatiebronnen voor cellulaire beeldvorming.

De fluorescentie van nanodiamanten wordt veroorzaakt door puntdefecten in de diamantstructuur, bekend als kleurcentra. Bibliografisch onderzoek onthult het beperkte aantal rapporten over het optisch vangen van nanodiamanten. Uit het eerste rapport over dit onderwerp bleek dat een enkele nanodiamant kan worden gebruikt als magnetische veldsensor. Later werd ook aangetoond dat een optisch gevangen nanodiamant werkte als een cellulaire thermometer.

Dit overzichtsartikel laat ook zien hoe de combinatie van optische trapping en colloïdale optische nanodeeltjes voor diverse toepassingen kan worden gebruikt. Ondanks het grote potentieel van optische pincetten voor onderzoek naar afzonderlijke nanodeeltjes, staat dit vakgebied nog in de kinderschoenen. De meeste werken richten zich eerder op toepassingen dan op het opvullen van kennislacunes. Er zijn nog enkele problemen open.

De review vat de uitdagingen samen waarmee het optisch vangen van nanodeeltjes te maken krijgt, waaronder het ontbreken van een precieze formule die de optische krachten beschrijft, de onzekere ruimtelijke resolutie, de mogelijke aanwezigheid van detectiebias, etc. Deze review zal naar verwachting de voortdurende verrijking en ontwikkeling bevorderen van onderzoek naar principes, technieken, apparatuur en toepassingen op dit gebied.

Meer informatie: Fengchan Zhang et al., Optisch vangen van optische nanodeeltjes:grondbeginselen en toepassingen, Opto-elektronische wetenschap (2023). DOI:10.29026/oes.2023.230019

Aangeboden door Compuscript Ltd