南科大金大勇合作团队在《自然》刊文 展望单颗粒光谱学发展的机遇与挑战

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2020年3月4日，南方科技大学-悉尼科技大学生物医学材料与仪器联合研究中心主任、南科大生物医学工程系讲席教授金大勇合作研究团队在《自然》上发表以“功能化纳米材料单颗粒光谱学”（Single particle spectroscopy for functional nanomaterials）为题的综述展望。文章概述了历年来不同类发光纳米材料在单颗粒层面的光谱学研究进展，回顾了从单颗粒光谱学技术中获得的新启发，展望了推进下一代单颗粒光谱学发展的机遇与挑战。
     “欲善其事，先利其器”，纳米材料新功能研发需要更高灵敏度和分辨率的光学显微仪器。经过近些年基础研究和诸多成像分析技术的突破，单颗粒光谱学展示了广阔的科学应用前景，单颗粒光谱学正在成为现代基础科研的“利器”。目前，金大勇团队正在努力打造世界顶尖的光学成像与多维度分析仪器平台，指导和推动新型功能材料的开发，从而为纳米光学、光电子技术、超分辨亚细胞成像、单分子检测、量子通讯和大数据存储等领域的下一次突破提供“利器”。
       当今的纳米材料合成已经实现了高度可控，但即使是同一批次合成的发光纳米粒子，单个颗粒的光学性质往往是不均匀的，这是由于尺寸、形状、结构缺陷、表面基团和电荷等方面的细微影响。这一构效关系是与材料科学、晶体学和界面化学相关的基础研究中的核心问题，对纳米材料合成的重复性、功能和应用至关重要。单颗粒光谱学使人们能够辨别单个粒子的个体特征，从而提供关于其异质性的直接信息。
       单颗粒光谱学的研究大大推动了人们对纳米材料异质性的认知理解、其背后光物理学原理的探索、材料均匀性控制的发展。譬如，人们利用单颗粒光谱学发现了量子点中存在不同类型的闪烁特性，具体观察了每类闪烁性的表现形式和物理机制，实现对闪烁性的控制利用。
       单颗粒光谱仪器平台和方法的建立（图1）包括被动型方式（联用原子力显微镜、透射/扫描电镜）和主动型方式（原子力针尖操控、光镊等）。

图1. 利用相关方法揭示纳米单颗粒的确定性信息。a、AFM集成光学显微镜原位显示颗粒数量、几何形状及其二维操控；b、TEM/SEM/STEM确定颗粒的数量和组成；c、光镊通过改变泵浦激光的偏振态来操纵单个纳米颗粒的三维方向；d、超分辨显微技术可在突破衍射极限条件下确认纳米粒子的数量、几何形状、材料组成和电偶极子方向


       纳米材料在不同光学维度的荧光特性除了决定于本征的电子跃迁特性之外，激子或电子也可以对温度、磁场和电场等外部场的刺激做出反应。这不仅为推进光物理学和材料特性有关研究的发展提供了新的角度，还使得纳米颗粒作为新一代高灵敏纳米尺度传感器成为可能。
       文章论述，单颗粒光谱学技术将继续推进纳米级现有材料和未来材料光物理特性的表征，发光纳米粒子新功能的加入预计将在一些关键的科学技术领域带来革命性的变化，从八个潜在的方向推动单颗粒光谱学的发展。
      （一）超分辨单颗粒光谱学。光学衍射极限将继续限制先进单颗粒光谱仪的横向和纵向分辨率，解决方案将是结合现今发展的多种超分辨显微镜技术。
      （二）多模联用单颗粒光谱学。光电联用以及操控技术联用，结合多种荧光模态的测量方式，可以准确辨别纳米材料的每一结构信息是如何影响其总体光学特性的。
      （三）运用纳米镊子技术。非接触式捕获和操控纳米尺度的单个粒子，结合光谱学技术，将为基于纳米粒子的杂化组装器件开发提供机会。同时也可用于对距离和取向依赖现象的原位研究，例如不同类型的单纳米粒子之间的能量转移和力学动力学。
      （四）单颗粒表面特性表征。表面物质和电荷的不均匀性会导致纳米颗粒光学性质的不均匀性，从特定的分子靶向到纳米器件的自组装，几乎影响纳米颗粒的所有预期应用。引入远场拉曼光谱等方法将为表征纳米粒子的表面形态提供新的视角。
      （五）单颗粒的吸收测量。对于低量子效率的单纳米粒子或猝灭纳米粒子的荧光表征是无法得到单颗粒灵敏度的。一些技术方法也许能够用于单颗粒的吸收成像和光谱学测量，如图3a所示。
      （六）单颗粒的量子效率测量。测量单颗粒绝对量子效率的挑战在于检测单个粒子吸收的光子数。替代方式是采用基于辐射和非辐射跃迁速率之比测量方法。辐射速率的改变方法如图3b所示。
     （七）高通量光谱学和数据分析。要将单颗粒研究应用到常规样品分析中，需要高通量单颗粒光谱仪和数据分析自动化。使用商用高光谱成像系统或棱镜来分散光谱信息的宽场成像方案可以极大地提高检测通量和速度。机器学习可以超越传统数据分析的极限，识别和记录单个纳米粒子的光学特征，避免重复实验。
    （八）单颗粒光谱学标准化。纳米材料的许多群体性荧光测量方法要成为定量技术仍有待优化，因为不同研究组获得的结果可能会受到不同仪器设置和测量环境的影响。为了使得定量比较成为现实，单颗粒光谱学技术可以提供不同激发功率密度下发射光子的绝对数量。这种标准化的平台对非线性光学转换尤其重要。
       本综述是由金大勇教授领导的南方科技大学-悉尼科技大学生物材料与仪器联合研究中心牵头，联合澳大利亚悉尼科技大学生物材料与仪器研究所周佳佳博士，德国哥廷根大学第三物理研究所Chizhik博士和美国斯坦福大学朱棣文教授合作完成。


       金大勇教授2019年初入职南方科技大学，筹建南方科技大学-悉尼科技大学生物材料与仪器联合研究中心，重点研发单分子探针传感器、高维度光学分辨解析、亚细胞超分辨成像、和“清、快、深、活”类器官多细胞体成像。该团队的研究得到了深圳科创委的大力支持。
       论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2048-8
         文章来源：南方科技大学
         金大勇， 2007年6月于澳大利亚麦考瑞大学获博士学位。曾先后任职于麦考瑞大学及悉尼科技大学，并于2017年晋升为悉尼科技大学杰出教授。现为南方科技大学生物医学工程系讲席教授。迄今共发表了百余篇高水平学术文章，包括十余篇原创性工作发表在《自然》及子刊中。他的专业领域涵盖了生物工程光学、纳米探针技术、生物医疗诊断、精密光学仪器、自动化等领域。并于2015年荣获澳洲科研最高奖尤里卡奖交叉学科创新奖，2016年当选澳大利亚百名科技创新领军人物，2017年荣获澳洲科学院工程科学奖以及同年荣获澳大利亚总理奖 - 年度物理学家奖。