本文由论文作者团队撰稿
导读
光镊利用高度聚焦的激光束，可实现对微小粒子的精准操控与力学测量。随着光镊技术进入纳米尺度，其功能已从单一操控发展为多参数测量平台，可同步获取力学与环境信息。上转换粒子，尤其是稀土掺杂微纳颗粒，具有反斯托克斯发光特性，在光学捕获过程中易于实时荧光成像；其发光光谱对温度和取向变化高度敏感，使其天然适用于多物理量传感。同时，离子共振效应可增强光学捕获效率，使得更小尺度粒子的稳定操控与高灵敏力学测量成为可能。
近日，北京航空航天大学物理学院的王帆、单旭晨团队，联合西班牙马德里自治大学Daniel Jaque教授等，在Nature Protocols上发表了题为“Upconversion particle-based optical tweezers for sensing applications”的研究。该研究详细阐述了一套基于上转换粒子的光镊技术体系，并提出了针对力、温度与粘度等参数进行定量传感的标准化操作与分析方法。
研究者首先搭建了一套稳定、可复现的单梯度光镊系统。该系统集成了激光调控、偏振控制、粒子捕获与荧光检测模块，为后续所有纳米尺度操控与定量测量提供了统一、可靠的实验平台。
图1：单光束梯度光镊系统示意图
在此基础上，引入空间光调制器实现全息光场调控，并通过轴向编码点扩散函数，实现粒子三维位置的高精度解析，为纳米尺度运动与力学测量奠定基础。
图2：超分辨光子力显微镜示意与实物图
通过调控捕获光的偏振态，实现了对上转换微粒的可控光致旋转。粒子旋转过程中，其发光光谱呈现周期性变化。通过频域分析这些光谱波动，即可直接获得粒子的旋转速度，并进一步检测周围介质的粘度。
图3：旋转的上转换微粒及其对应光谱变化。
上转换发光中，热耦合能级之间的发射强度比对温度高度敏感。研究者系统测量了不同温度下的光谱变化，并建立了定量的温度标定关系。这一结果使单颗粒、非接触式的纳米测温成为可能。
图4：不同温度下的光谱响应
通过将被捕获的纳米粒子逐步靠近修饰DNA的金膜表面，对粒子位置偏移检测直接量化界面相互作用力，展示了光镊在研究生物与功能材料界面作用方面的潜在优势。
图5：稀土掺杂纳米颗粒与金表面纳米级相互作用力探测
结合等离激元光热效应与上转换测温能力，研究者重建了单细胞周围的空间温度分布，直观揭示局部热场的形成与衰减。
图6：基于单个上转换微颗粒的细胞外温度探测结果
文章系统阐述了基于上转换粒子光镊的搭建方案与流程。以稀土掺杂上转换粒子为探针，通过聚焦激光束实现捕获与激发，并集成高速sCMOS相机、光谱仪、光学组件与机器学习三维定位算法，详细展示对力、粘度、温度的高精度测量的方法流程。研究推动了上转换粒子与光学操控的深度结合，为跨学科研究提供了系统方案与实验指南。
作者介绍
张天歌
张天歌，北京航空航天大学物理学院卓越百人博士后。主要从事光镊与生物光子学的研究，共参与发表SCI文章19篇，其中以第一作者在Advanced Materials、Nano Letters等期刊发表文章，主持青年科学基金项目C类，受资国家资助博士后研究计划C档。
张凤婵
张凤婵，马德里自治大学材料物理系博士研究生，合作导师为Daniel Jaque和Patricia Haro González. 研究方向聚焦于利用光镊技术探索纳米尺度下的光-物质作用，包括表面等离激元结构对纳米颗粒的发光增强，纳米颗粒在角动量驱动下的旋转，以及基于发光纳米颗粒的温度传感。以第一作者身份在Advanced Functional Materials, Nano Letters, Opto-Electronics Science, Optics Letters等期刊发表多篇学术论文。
单旭晨 副教授
单旭晨，北京航空航天大学物理学院副教授。2022年毕业于悉尼科技大学，师从金大勇院士、王帆教授。毕业加入在北京航空航天大学王帆教授课题组。共参与发表SCI文章18篇，Google Scholar 引用700余次。其中以第一作者发表Nature Nanotechnology、Nature Photonics各一篇。荣获2024年中国光学十大进展、中国光学十大社会影响力事件，2025年中国激光杂志社“青云奖”。
王帆 教授
王帆， 北京航空航天大学物理学院， 应用物理系主任，海外高层次引进人才，主要从事生物光子学、纳米光子学、超分辨显微成像和光镊的研究。共发表SCI 文章98篇， 通讯/共通讯文章含Nature Photonics，Nature Nanotechnology，Nature Protocols，Light: Science & Applications，Nature Communications，Optica，Nano Letters，和Advanced Materials。授权专利十余项，OSA、SPIE、IEEE等国际会议邀请报告31次。成果入选中国光学十大进展与中国光学十大社会影响力事件。主持区域联合基金重点项目等。任北京光学学会理事，中国生物物理学会生物医学成像专委会理事，中国光学学会生物医学光子学委员会委员，中国光学工程学会计算光学学委员会青年委员，APL Photonics 青年编委，Journal of Modern Optics编委，中国激光编委， Chinese Optics Letters编委，中国稀土学报青年编委。曾获得澳大利亚青年学者奖（DECRA）、澳大利亚David Syme研究奖以及iCANX青年科学家奖。受到Light People人物专访。（《Light人物 | 专访北京航空航天大学王帆教授》）。
王帆课题组诚邀有光子学背景的青年才俊通过海外优青和北航海外人才计划（https://mp.weixin.qq.com/s/s56ShDguH9dkhslh-zZd_A）加盟课题组。诚招光子学背景的优秀博士后、博士和硕士。更具体的信息请联系fanwang@buaa.edu.cn。
论文信息
Zhang, T., Zhang, F., Shan, X. et al. Upconversion particle-based optical tweezers for sensing applications. Nat Protoc (2026).
https://doi.org/10.1038/s41596-025-01264-3
