近日，北京航空航天大學物理學院王帆團隊，聯合生物與醫學工程學院常淩乾團隊，通過將離子共振納米探針、光學三維超分辨定位法與機器學習技術相結合，開發了超分辨光子力顯微鏡，並實現了水溶液中納米熱力學極限的亞飛牛靈敏度力學操控和傳感。

　　該項多學科交叉的研究成果相關工作以“Sub-femtonewton force sensing in solution by super-resolved photonic force microscopy”為題，發表於《Nature Photonics》 上。北航為唯一通訊單位。

　　1970年美國Bell實驗室科學家Ashkin首次在實驗上實現了光鑷對微球的捕獲，標誌著光鑷技術的誕生，打開了圍觀顆粒光操控的大門，因此被授予2018年諾貝爾物理學獎。

　　在工作過程中，北航科研人員進行理論分析發現低勢阱剛度、高定位精度與多定位數據可以提升測力精度。徑向平麵的定位通過熒光質心的概率分布中心得到。此外，引入了超分辨率成像中柱透鏡的定位方法得到了更多的軸向信息，使得z方向精確定位過程可以經過神經網絡訓練得到(圖1)，補齊了三維測力的最後一塊拚圖。

圖1. 三維定實現原理

　　研究人員利用這種高精度定位方法研究了電場中上轉換納米粒子的弱電場力檢測(圖2)。實驗上，測量到了在0.1V和0.2V平行板靜電場作用下，具有35mV表麵電位的納米粒子所受平均電場力分別為591aN與1182aN，最小檢測到的電場力為108.2aN。這是水溶液中光子力顯微鏡首次突破飛牛級別的測力精度。

圖2. 在均勻電場中測量被捕獲單個納米粒子的電場力的示意圖

　　研究人員在此研究基礎上，進一步研究了單納米顆粒對金膜的相互作用力。在研究中發現，當光鑷操控納米粒子靠近金膜的過程中會受到反方向的阻力(圖3)，這一微小的推力會隨著納米粒子的靠近而增強，這一作用力應該是激光散射造成的。此外，使用DNA修飾金膜之後，納米粒子所受的平均反向推力從80飛牛降低到約40飛牛。該實驗表明在水溶液中納米顆粒與DNA分子是具長程作用力的。

圖3. 納米顆粒 Ln-NCs 與金表麵之間(電中性)的平均檢測力，以及 Ln-NCs 與 DNA 修飾後的金表麵(負電性)之間的檢測力

　　該技術為探究生理環境中生物分子的長程相互作用提供了有效的工具。

　　論文鏈接：

　　https://www.nature.com/articles/s41566-024-01462-7