2020年3月4日，南方科技大學-悉尼科技大學生物醫學材料與儀器聯合研究中心主任、南科大生物醫學工程系講席教授金大勇合作研究團隊在《自然》上發表以“功能化納米材料單顆粒光譜學”（Single particle spectroscopy for functional nanomaterials）為題的綜述展望。文章概述了歷年來不同類發光納米材料在單顆粒層面的光譜學研究進展，回顧了從單顆粒光譜學技術中獲得的新啟發，展望了推進下一代單顆粒光譜學發展的機遇與挑戰。
“欲善其事，先利其器”，納米材料新功能研發需要更高靈敏度和分辨率的光學顯微儀器。經過近些年基礎研究和諸多成像分析技術的突破，單顆粒光譜學展示了廣闊的科學應用前景，單顆粒光譜學正在成為現代基礎科研的“利器”。目前，金大勇團隊正在努力打造世界頂尖的光學成像與多維度分析儀器平臺，指導和推動新型功能材料的開發，從而為納米光學、光電子技術、超分辨亞細胞成像、單分子檢測、量子通訊和大數據存儲等領域的下一次突破提供“利器”。
當今的納米材料合成已經實現了高度可控，但即使是同一批次合成的發光納米粒子，單個顆粒的光學性質往往是不均勻的，這是由於尺寸、形狀、結構缺陷、表面基團和電荷等方面的細微影響。這一構效關係是與材料科學、晶體學和界面化學相關的基礎研究中的核心問題，對納米材料合成的重複性、功能和應用至關重要。單顆粒光譜學使人們能夠辨別單個粒子的個體特徵，從而提供關於其異質性的直接信息。
單顆粒光譜學的研究大大推動了人們對納米材料異質性的認知理解、其背後光物理學原理的探索、材料均勻性控制的發展。譬如，人們利用單顆粒光譜學發現了量子點中存在不同類型的閃爍特性，具體觀察了每類閃爍性的表現形式和物理機制，實現對閃爍性的控制利用。
單顆粒光譜儀器平臺和方法的建立（圖1）包括被動型方式（聯用原子力顯微鏡、透射/掃描電鏡）和主動型方式（原子力針尖操控、光鑷等）。
圖1. 利用相關方法揭示納米單顆粒的確定性信息。a、AFM集成光學顯微鏡原位顯示顆粒數量、幾何形狀及其二維操控；b、TEM/SEM/STEM確定顆粒的數量和組成；c、光鑷通過改變泵浦激光的偏振態來操縱單個納米顆粒的三維方向；d、超分辨顯微技術可在突破衍射極限條件下確認納米粒子的數量、幾何形狀、材料組成和電偶極子方向
納米材料在不同光學維度的熒光特性除了決定於本徵的電子躍遷特性之外，激子或電子也可以對溫度、磁場和電場等外部場的刺激做出反應（圖2）。這不僅為推進光物理學和材料特性有關研究的發展提供了新的角度，還使得納米顆粒作為新一代高靈敏納米尺度傳感器成為可能。
圖2.應用外場來動態激發單個納米粒子的響應。a、溫變單顆粒光譜學統計數據顯示，帶電CdSe/CdS量子點中，非輻射俄歇複合的熱激活由電子離域引起; b、在4K溫度條件下，當磁場強度從0T增加到7T時，鹵化鉛鈣鈦礦的暗態單線態出現了伴有緩慢衰減速率的熒光發射; c、由於量子點的不同能帶排列方式，Ⅱ型半導體納米棒比Ⅰ型量子點具有更高的電壓傳感靈敏度。準Ⅱ型單納米棒已用於膜電位傳感
文章論述，單顆粒光譜學技術將繼續推進納米級現有材料和未來材料光物理特性的表徵，發光納米粒子新功能的加入預計將在一些關鍵的科學技術領域帶來革命性的變化，從八個潛在的方向推動單顆粒光譜學的發展。
（一）超分辨單顆粒光譜學。光學衍射極限將繼續限制先進單顆粒光譜儀的橫向和縱向分辨率，解決方案將是結合現今發展的多種超分辨顯微鏡技術。
（二）多模聯用單顆粒光譜學。光電聯用以及操控技術聯用，結合多種熒光模態的測量方式，可以準確辨別納米材料的每一結構信息是如何影響其總體光學特性的。
（三）運用納米鑷子技術。非接觸式捕獲和操控納米尺度的單個粒子，結合光譜學技術，將為基於納米粒子的雜化組裝器件開發提供機會。同時也可用於對距離和取向依賴現象的原位研究，例如不同類型的單納米粒子之間的能量轉移和力學動力學。
（四）單顆粒表面特性表徵。表面物質和電荷的不均勻性會導致納米顆粒光學性質的不均勻性，從特定的分子靶向到納米器件的自組裝，幾乎影響納米顆粒的所有預期應用。引入遠場拉曼光譜等方法將為表徵納米粒子的表面形態提供新的視角。
（五）單顆粒的吸收測量。對於低量子效率的單納米粒子或猝滅納米粒子的熒光表徵是無法得到單顆粒靈敏度的。一些技術方法也許能夠用於單顆粒的吸收成像和光譜學測量，如圖3a所示。
（六）單顆粒的量子效率測量。測量單顆粒絕對量子效率的挑戰在於檢測單個粒子吸收的光子數。替代方式是採用基於輻射和非輻射躍遷速率之比的測量方法。輻射速率的改變方法如圖3b所示。
（七）高通量光譜學和數據分析。要將單顆粒研究應用到常規樣品分析中，需要高通量單顆粒光譜儀和數據分析自動化。使用商用高光譜成像系統或稜鏡來分散光譜信息的寬場成像方案可以極大地提高檢測通量和速度。機器學習可以超越傳統數據分析的極限，識別和記錄單個納米粒子的光學特徵，避免重複實驗。
（八）單顆粒光譜學標準化。納米材料的許多群體性熒光測量方法要成為定量技術仍有待優化，因為不同研究組獲得的結果可能會受到不同儀器設置和測量環境的影響。為了使得定量比較成為現實，單顆粒光譜學技術可以提供不同激發功率密度下發射光子的絕對數量。這種標準化的平臺對非線性光學轉換尤其重要。
圖3. 先進單顆粒光譜學的發展遠景。a和b，對單個物體的吸收(a)和量子產率 (b)測量中採用的光子學結構設計
本綜述是由金大勇教授領導的南方科技大學-悉尼科技大學生物材料與儀器聯合研究中心牽頭，聯合澳大利亞悉尼科技大學生物材料與儀器研究所周佳佳博士，德國哥廷根大學第三物理研究所Chizhik博士和美國斯坦福大學朱棣文教授合作完成。
金大勇教授2019年初入職南方科技大學，籌建南方科技大學-悉尼科技大學生物材料與儀器聯合研究中心，重點研發單分子探針傳感器、高維度光學分辨解析、亞細胞超分辨成像、和“清、快、深、活”類器官多細胞體成像。該團隊的研究得到了深圳科創委的大力支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2048-8
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