利用光流控微腔技术实现精确的单纳米粒子尺寸测量，最小可达3纳米

《ACS Nano》：Accurate Single-Nanoparticle Sizing down to 3 nm with an Optofluidic Microcavity

纳米颗粒检测与 sizing 新方法：基于高Q值光纤微腔的离散传感技术，通过主动锁定微腔并分析自相关函数（ACF），实现了对直径仅3 nm单颗粒的高灵敏度检测与定量尺寸分析。该方法结合了稳态光腔的宽频带特性（500 MHz带宽）与非线性光学响应，通过改进的ACF数学模型解决了传统FCS和DLS无法处理的非稳态单粒子信号问题，实验数据与DLS、TEM结果高度吻合，为原位研究生物分子动态提供了新工具。

　　纳米粒子在自然界中无处不在，它们在许多领域如生物医学、材料科学和环境监测中扮演着重要角色。为了深入理解单个纳米粒子的特性，科学家们一直在寻求一种能够实现无标记、高精度、高带宽的单粒子检测技术。现有的无标记单粒子检测方法虽然在某些情况下表现良好，但通常存在带宽受限或无法提供定量信息的问题。本文介绍了一种基于腔体的色散传感方法，能够在高带宽下捕捉纳米粒子在所有时间尺度上的平移扩散，并且具有足够灵敏度以检测和测量直径小至3纳米的单个粒子。该方法不仅提供了对单个粒子的定量尺寸分析，还为研究纳米材料的动态行为提供了重要的工具。

纳米材料的异质性使得直接获取单个粒子的信息成为研究其分布特性和动态行为的关键。因此，多种无标记的单粒子传感技术已被开发出来。例如，干涉散射显微镜（iSCAT）已被用于检测小于10 kDa的单个纳米粒子和生物分子，并结合机器学习算法实现了单粒子的追踪和尺寸测量。此外，纳米等离子体热点和微球等微腔结构也广泛应用于单粒子的实时检测和定量尺寸分析。然而，这些技术大多依赖于粒子与近场的相互作用，从而限制了其对扩散过程的精确量化，尤其是在评估水动力半径时。相比之下，开放型微腔可以避免这一问题，但其较大的模体积限制了对小于100纳米粒子的检测能力。最近，研究人员利用高度非线性的光热效应，实现了对单分子的高灵敏度检测，但该方法在提取粒子尺寸或形状信息时仍面临挑战，主要是由于光热响应与信号的耦合，使得定量分析变得困难。

本文提出了一种基于光纤法布里-珀罗微腔的新型方法，通过锁定在共振斜率上，实现对单个纳米粒子的高带宽检测。实验中使用的微腔具有约55,000的高精细度，并且其腔长波动仅为300飞米，提供了极高的稳定性和灵敏度。通过这种方式，研究人员能够检测到直径为3纳米的单个金纳米粒子在微腔模式中的扩散。微腔的检测带宽理论上仅受限于其线宽，约为500 MHz，这使得研究人员能够从单个粒子穿过微腔模式的足够多事件中获取统计信息，进而计算自相关函数（ACF）进行进一步分析。

在传统的荧光相关光谱（FCS）和动态光散射（DLS）技术中，自相关函数的分析已被广泛用于确定粒子的尺寸。然而，在本文研究的场景中，由于单粒子事件的非稳态特性，需要特别关注两个关键方面：一是腔体模式的探测体积与FCS中高斯焦点的差异，二是单粒子事件中粒子浓度的非稳态变化。为了解决这些问题，研究人员提出了一种新的自相关函数模型，该模型将腔体的驻波场近似为一系列分离的高斯函数，从而能够准确描述粒子在不同时间尺度上的扩散行为。通过这种方法，研究人员不仅能够识别单个粒子的存在，还能通过自相关函数的分析提取其尺寸信息。

在实验中，研究人员使用了直径从3纳米到20纳米的金纳米粒子（GNP），并将样品稀释至约50 pM的浓度，以确保任何时刻腔体模式中平均只有一个粒子。通过将传输信号与数字存储示波器进行同步监测，研究人员能够记录单个粒子穿过腔体模式的时间轨迹。这些轨迹的自相关函数被计算出来，并与新的模型进行拟合，从而提取出粒子的扩散系数和水动力半径。通过这种方法，研究人员获得了与DLS和透射电子显微镜（TEM）测量结果一致的粒子尺寸分布，验证了其方法的准确性和可靠性。

为了进一步验证方法的有效性，研究人员还进行了多组实验，比较了不同尺寸的粒子在微腔中的检测效果。结果显示，微腔方法能够准确测量直径为3纳米的粒子，并且其尺寸分布的宽度与TEM测量结果非常接近，而DLS测量则显示出较大的偏差。这表明，微腔方法在检测小尺寸粒子时具有更高的精度和准确性。此外，与传统的DLS测量相比，微腔方法所需的样品体积更小，且不需要高浓度的样品，这使得其在实际应用中更具优势。

本文的研究成果不仅为无标记纳米粒子的定量检测提供了新的方法，还为未来研究纳米材料的动态行为，如旋转和构象变化，奠定了基础。通过高带宽的检测和精确的自相关函数分析，研究人员能够实现对纳米粒子运动的高时间分辨率监测，从而更深入地理解其在复杂环境中的行为。此外，该方法的高灵敏度和准确性使其成为研究纳米材料的理想工具，尤其适用于在原生环境中分析未标记的生物分子。总的来说，这项研究为纳米粒子的检测和分析提供了一种全新的视角，有助于推动纳米科学和技术的发展。