Un nuovo articolo pubblicato su Opto-Electronic Science esamina i fondamenti e le applicazioni delle nanoparticelle ottiche intrappolate otticamente. Le nanoparticelle ottiche sono uno degli elementi chiave della fotonica. Non solo consentono l'imaging ottico di una vasta gamma di sistemi (dalle cellule alla microelettronica), ma si comportano anche come sensori remoti altamente sensibili.
Recentemente è stato dimostrato il successo delle pinzette ottiche nell'isolare e manipolare le singole nanoparticelle ottiche. Ciò ha aperto la porta alla scansione e al rilevamento di singole particelle ad alta risoluzione.
I risultati più rilevanti nei campi in rapida crescita dell'intrappolamento ottico di singole nanoparticelle ottiche sono riassunti in questo articolo. A seconda dei diversi materiali e delle loro proprietà ottiche, le nanoparticelle ottiche sono classificate in cinque famiglie:nanoparticelle plasmoniche, nanoparticelle drogate con lantanidi, nanoparticelle polimeriche, nanoparticelle semiconduttori e nanodiamanti. Per ciascun caso sono stati descritti i principali progressi e applicazioni.
Le nanoparticelle plasmoniche hanno una maggiore polarizzabilità e un'elevata efficienza di conversione luce-calore, che richiedono una selezione critica della lunghezza d'onda di intrappolamento. Le tipiche applicazioni basate sulle proprietà di luminescenza delle nanoparticelle plasmoniche intrappolate otticamente sono lo studio dell'interazione particella-particella e il rilevamento della temperatura. Questa ricerca viene effettuata analizzando la radiazione assorbita, diffusa o emessa dalle nanoparticelle.
Le nanoparticelle drogate con lantanidi hanno bande di emissione strette, lunga durata di fluorescenza e intensità di emissione sensibile alla temperatura. Questa recensione riassume il rilevamento della temperatura cellulare riportato ottenuto dalle singole nanoparticelle drogate con lantanidi intrappolate otticamente. Le proprietà strutturali dell'ospite di nanoparticelle drogate con lantanidi consentono a queste particelle di ruotare. Per una potenza laser fissa, la velocità di rotazione dipende dalla viscosità del mezzo. Gli studi hanno dimostrato che questa proprietà può essere utilizzata per misurare la viscosità intracellulare. Inoltre, un'adeguata funzionalizzazione superficiale delle nanoparticelle drogate con lantanidi ne consente l'uso nel rilevamento chimico.
L'incorporazione di coloranti nelle nanoparticelle polimeriche le rende luminescenti e facili da tracciare all'interno della trappola ottica. Questa recensione riassume l'indagine sulla dinamica delle singole nanoparticelle e sulle caratterizzazioni di campioni biologici sfruttando la capacità di tracciare la luminescenza delle particelle. Non solo facilita una comprensione più approfondita dell'interazione ottica e meccanica tra il laser intrappolante e le particelle ottiche, ma sottolinea anche il grande potenziale della combinazione dell'intrappolamento ottico con la fluorescenza o la microscopia a scansione.
Le nanoparticelle dei semiconduttori hanno recentemente guadagnato grande attenzione grazie alle loro speciali proprietà di fotoluminescenza come l'emissione regolabile, la minore suscettibilità al fotosbiancamento, le elevate rese quantiche e la stabilità chimica. In questa recensione, gli autori riassumono la ricerca sull'utilizzo di pinzette ottiche per studiare e migliorare le proprietà di luminescenza delle singole nanoparticelle semiconduttrici. Riassumono inoltre la ricerca sull'uso di particelle semiconduttrici come fonti di eccitazione localizzate per l'imaging cellulare.
La fluorescenza dei nanodiamanti è causata da difetti puntiformi nella struttura del diamante, noti come centri di colore. La ricerca bibliografica rivela il numero limitato di rapporti sull'intrappolamento ottico dei nanodiamanti. Il primo rapporto sull’argomento ha rivelato che un singolo nanodiamante può essere utilizzato come sensore di campo magnetico. Successivamente, è stato dimostrato che un nanodiamante intrappolato otticamente funziona anche come termometro cellulare.
Questo articolo di revisione rivela anche come la combinazione di intrappolamento ottico e nanoparticelle ottiche colloidali possa essere utilizzata per diverse applicazioni. Nonostante il grande potenziale delle pinzette ottiche per gli studi su singole nanoparticelle, questo campo è ancora agli inizi. La maggior parte dei lavori si concentra sulle applicazioni piuttosto che sul colmare le lacune della conoscenza. Ci sono alcune questioni ancora aperte.
La revisione riassume le sfide affrontate dall'intrappolamento ottico delle nanoparticelle, inclusa la mancanza di una formula precisa che descriva le forze ottiche, la risoluzione spaziale incerta, la possibile presenza di distorsioni di rilevamento, ecc. Si prevede che questa revisione promuova l'arricchimento e lo sviluppo continui di ricerca su principi, tecniche, attrezzature e applicazioni in questo campo.
Ulteriori informazioni: Fengchan Zhang et al, Intrappolamento ottico di nanoparticelle ottiche:fondamenti e applicazioni, Scienza optoelettronica (2023). DOI:10.29026/oes.2023.230019
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