钟航 1陈钧 1,*陈骏 1廖俊生 2,**
作者单位
摘要
1 表面物理与化学重点实验室,四川 绵阳 621908
2 中国工程物理研究院材料研究所,四川 绵阳 621907
光学捕获经过近几十年的发展,从光学悬浮到紧密聚焦的单光束光镊再到最近发展的多种类型的光学阱,已经可以捕获包括碳、金属氧化物、花粉、孢子、无机/有机液滴等多种不同类型的粒子,结合拉曼光谱、腔衰荡光谱或激光诱导击穿光谱可以获取悬浮微粒在原生状态下的物理和化学信息,并可以实现受控气氛环境下单粒子的化学反应研究。首先,本文根据微粒的吸光性对空气中微粒的光学捕获力的来源进行了介绍,透明微粒主要受辐射压力的作用,吸光微粒主要受光泳力的作用;然后,根据光学捕获力的不同对单光束、双光束、高斯光束和空心光束等光学捕获设计进行分类介绍;最后,综述了光学捕获与光谱技术结合起来用于单粒子研究的最新进展,并讨论了光学捕获拉曼光谱面临的挑战。
光谱学 光镊 光学捕获 单颗粒 气溶胶 
中国激光
2024, 51(3): 0307303
Author Affiliations
Abstract
1 Nanomaterials for Bioimaging Group (nanoBIG), Departamento de Física de Materiales, Facultad de Ciencias, Universidad Autónoma de Madrid, 28049 Madrid, Spain
2 Instituto de materiales Nicolás Cabrera, Universidad Autónoma de Madrid, 28049 Madrid, Spain
3 Institute for Advanced Research in Chemical Sciences, Facultad de Ciencias, Universidad Autónoma de Madrid, 28049 Madrid, Spain
4 Departamento de Química Física, Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Complutense de Madrid, 28040 Madrid, Spain
Optical nanoparticles are nowadays one of the key elements of photonics. They do not only allow optical imaging of a plethora of systems (from cells to microelectronics), but, in many cases, they also behave as highly sensitive remote sensors. In recent years, it has been demonstrated the success of optical tweezers in isolating and manipulating individual optical nanoparticles. This has opened the door to high resolution single particle scanning and sensing. In this quickly growing field, it is now necessary to sum up what has been achieved so far to identify the appropriate system and experimental set-up required for each application. In this review article we summarize the most relevant results in the field of optical trapping of individual optical nanoparticles. After systematic bibliographic research, we identify the main families of optical nanoparticles in which optical trapping has been demonstrated. For each case, the main advances and applications have been described. Finally, we also include our critical opinion about the future of the field, identifying the challenges that we are facing.
optical trapping optical nanoparticle single particle spectroscopy single particle sensor 
Opto-Electronic Science
2023, 2(9): 230019
作者单位
摘要
1 太原理工大学 物理学院,山西 太原 030024
2 太原理工大学材料科学与工程学院 新型碳材料研究所, 山西 太原 030024
多光子成像具有零背景下可见光信号输出的优势,但传统多光子探针激发域值高、光稳定性差的问题使其在生物应用中受到限制。基于稀土上转换的无机纳米粒子可在相对较低的激发光功率密度下实现稳定的上转换发光,因而成为一种重要的多光子探针。随着成像技术的进步,对上转换纳米粒子的研究正在从聚集体形式向单颗粒水平发展。单颗粒研究上转换发光不仅有利于排除环境因素的干扰,并且呈现出一系列与聚集体研究不尽一致的理论成果。由于单颗粒研究平台更加接近于探针生物成像的工作环境,因此在这一水平下对上转换纳米粒子进行材料优化与物理机制分析更贴近实际应用。本文从多光子发光机制与材料出发,重点围绕着单颗粒水平下上转换纳米粒子近年来的研究成果与应用进展进行了综述,最后对其未来的研究方向进行了展望。
多光子探针 上转换纳米粒子 单颗粒成像 生物应用 multiphoton probe upconverting nanoparticles single-particle imaging biological application 
发光学报
2023, 44(11): 2041
作者单位
摘要
1 河南科技大学材料科学与工程学院, 洛阳 471023
2 河南东风新研材科技有限公司, 洛阳 471023
采用溶胶-凝胶技术合成Al2O3刚玉前驱体, 以SiO2-MgO-CaO为助烧剂, α-Al2O3纳米粉体为晶种, 利用传统烧结技术制备微晶陶瓷刚玉(SG)磨料。借助透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)及热重-量热扫描(TG-DSC)等技术分析了晶种的特性和凝胶前驱体的热学性能, 探讨了烧结温度和烧结时间对SG磨料微观结构和力学性能的影响。结果表明, 纳米α-Al2O3晶种的添加使θ-Al2O3α-Al2O3相变温度降低了250 ℃。单颗粒抗压强度和密度随烧结温度的升高和烧结时间的延长先增大后减小, 晶粒形貌由等轴晶转变为片状晶。在1 320 ℃烧结45 min制备的SG磨料的单颗粒抗压强度和密度分别为40.2 N和3.88 g/cm3, 平均晶粒粒径为0.56 μm, 优于用传统烧结技术制备的微米晶种磨料样品。
溶胶-凝胶 微晶陶瓷 Al2O3刚玉磨料 单颗粒抗压强度 助烧剂 晶种 sol-gel microcrystalline ceramic Al2O3 corundum abrasive single particle compressive strength sintering aid crystal seed 
硅酸盐通报
2023, 42(6): 2182
作者单位
摘要
西安交通大学电子与信息学部电子科学与工程学院物理电子与器件教育部重点实验室,陕西 西安 710049
本研究利用搭建的高精度单颗粒偏振光谱表征系统,测量了六方相NaYF4:Sm3+和单斜相BiPO4:Sm3+单颗粒微米晶体的偏振发光特性,并结合偏振庞加莱球法和偏振拟合法对偏振发光峰进行了分析。结果表明,两种晶相中的Sm3+离子均发射部分偏振光,不同的是,六方相发光峰的线偏角精确沿着或垂直于结晶c轴,而单斜相发光的线偏角与结晶c轴存在非平行或正交的夹角。基于局部点群对称性和晶体宏观对称性,揭示了六方相发光峰的正交线偏角起源于光学跃迁偶极子绕结晶c轴的旋转对称分布,而单斜相中偶极子不具备旋转对称性,导致其发光峰的线偏角随机取向。该发现对于利用晶体结构获得具有理想偏振发光特性的稀土单颗粒晶体具有指导意义。
稀土单颗粒光谱 偏振发光 晶体结构 点群对称性 
激光与光电子学进展
2023, 60(11): 1106028
作者单位
摘要
厦门大学材料学院, 福建 厦门 361005
伴随互联网智能时代的开启, 发光材料的研发模式也从传统的“试错”、“经验指导实验”向“理论预测、实验验证”的新模式转变。高效的理论预测和快速的实验验证是实现这一转变的关键所在。现阶段, 高通量计算、机器学习等理论预测方法日渐成熟, 单颗粒诊断法等实验方法更加高效, 为新型发光材料的研制奠定了理论和实验基础。简要概述了近年来在稀土发光材料领域, 基于单颗粒诊断法和高通量计算挖掘发现新型荧光粉的研究进展。
单颗粒诊断法 高通量计算 新型荧光粉 single-particle-diagnosis high-throughput calculations new phosphors 
硅酸盐学报
2023, 51(2): 318
作者单位
摘要
1 深圳大学物理与光电工程学院生物医学光子学研究中心光电子器件与系统 教育部/广东省重点实验室,广东 深圳 518060
2 深圳大学电子与信息工程学院,广东 深圳 518060
3 深圳大学化学与环境工程学院,广东 深圳 518060
双螺旋点扩散函数(DH-PSF)技术通过对成像系统光瞳面波前相位的调控,将系统的PSF改造为DH-PSF,可实现大深度、高精度的三维纳米尺度成像,被广泛应用于生命科学、材料科学、工业检测等领域。详细阐述了DH-PSF技术的基本原理、DH相位片的设计方法及其运用方法,并在此基础上介绍了该方法在深度估计技术、纳米尺度三维单颗粒示踪、超分辨荧光显微技术、新型激光扫描荧光显微技术等领域的应用研究进展,着重讨论了DH-PSF技术在这些应用实例中的优势,为相关领域的研究提供有益的参考。最后,对DH-PSF技术及其应用的发展方向进行展望。
荧光显微成像 超分辨成像 双螺旋点扩散函数 单颗粒示踪 深度估计 
激光与光电子学进展
2022, 59(18): 1800001
作者单位
摘要
1 上海理工大学 能源与动力工程学院,上海 200093
2 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室,上海 200093
3 华东理工大学 上海市煤气化工程技术研究中心,上海 200237
分别采用彩色相机和多光谱相机构建辐射测温系统,利用黑体炉进行温度模型标定实验,并基于BP神经网络对标定数据进行训练得到测温模型。通过蜡烛火焰的温度测量实验,验证了测温模型的可靠性,且结果显示多光谱成像测温系统的测温精度高于彩色相机测温系统。针对常规辐射成像测温系统空间分辨率不足的问题,采用多光谱相机结合显微镜搭建了显微测温平台,对高温热台内的单石油焦颗粒燃烧过程进行记录,得到了石油焦颗粒表面的温度分布以及随时间的温度变化过程。
多光谱成像 彩色成像 温度分布测量 显微热台 单颗粒 神经网络 multispectral imaging color imaging temperature distribution measurement hot stage microscope single particle neural network 
光学仪器
2022, 44(3): 1
田雨 1,*潘小乐 1姚维杰 1,2刘航 1[ ... ]王自发 1,2,3
作者单位
摘要
1 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室, 北京 100029
2 中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049
3 中国科学院城市环境研究所区域大气环境研究卓越创新中心, 福建 厦门 361021
大气中的沙尘气溶胶颗粒物会通过与太阳辐射相互作用、参与云的形成过程等, 对气候系统产生强烈影响。对流层中的沙尘气溶胶通常是含有各种粒子成分的不均匀混合物, 只有通过详细了解单个沙尘粒子的理化特性才能充分认识其对气候的影响效应。基于此, 对过去 20 年基于光学方法对大气沙尘气溶胶观测分析的研究进行了全面的综述。回顾了利用电子显微镜、激光雷达以及单颗粒质谱等光学技术的研究成果, 简要介绍了基于扫描电镜和能谱、偏光特性、非对称因子等的观测分析技术, 并讨论其优缺点; 总结了沙尘气溶胶形貌、混合态特征研究, 讨论其参与大气物理化学过程的主要方式; 讨论了污染沙尘的光学性质、吸湿特性及成核能力, 这些特性都对气候变化和预测有重要影响。大气中的沙尘气溶胶是复杂多样的, 如何将精确的单粒子分析技术和快速响应的在线检测技术结合将是未来大气探测的研究重点, 这些研究成果也将进一步扩展到气溶胶的环境和气候影响研究, 以及人类健康风险评估中。
沙尘气溶胶 形貌特征 混合态 单颗粒检测 大气化学过程 气候效应 dust aerosols morphological properties mixing state single particle detection atmospheric chemical process climatic effects 
大气与环境光学学报
2022, 17(1): 65
作者单位
摘要
1 广西师范大学物理科学与技术学院,广西 桂林 541004
2 广西科学院生物物理与环境科学研究中心,广西 南宁 530007
微塑料是备受关注的新型环境污染物,在自然环境中发生老化,分解后体积更小,给生态环境带来更大的挑战。应用单粒子拉曼光谱技术监测经紫外线(UV)老化处理后的不同粒径聚苯乙烯(PS)微球,对比处理前后微塑料的形貌和大小,以了解微米级小粒径PS塑料在模拟紫外线照射下的老化动态和老化机理。结果显示,随着辐射时间的增加,PS的拉曼信号强度显著降低,粒径减小,表面破损;粒径越小,受损越严重,而大粒径PS颗粒间的异质性明显增大。UV辐射可能破坏了PS多聚物的稳定结构,造成光谱信号减弱,而且小尺寸的PS微塑料更易于受损,进而分解为更细小的微纳颗粒或碎片。研究结果揭示了PS微塑料在不同粒径与UV处理时间下的老化动态和特征,从单颗粒角度为微塑料在环境中的老化动态提供了新的认识。
光谱学 拉曼光谱 聚苯乙烯 紫外线 老化 单粒子分析 
中国激光
2022, 49(4): 0411002

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