图 利用超分辨光子力学显微镜测量单纳米颗粒受电场力

　　在国家自然科学基金项目（批准号：U23A20481、62275010、52073006）等资助下，北京航空航天大学物理学院王帆教授和钟晓岚教授团队联合生物与医学工程学院常凌乾教授团队，在光子力学显微镜研究方面取得新进展。研究成果以“超分辨光子力学显微镜实现水溶液中亚飞牛弱力测量（Sub-femtonewton force sensing in solution by super-resolved photonic force microscopy）”为题，于2024年6月14日在线发表于《自然•光子学》（Nature Photonics）期刊上。论文链接： https://www.nature.com/articles/s41566-024-01462-7。

　　光子力学显微镜具有光镊技术的无接触、低损伤的特点，在生命医学等领域具有广泛应用。目前测力灵敏度的最高记录是使用尺寸0.5微米探针实现的10 fN Hz–1/2，可以检测的最小力可达3fN(飞牛）以下，但是测力精度低于fN的三维力学测量仍然难以实现。

　　研究团队在理论分析中发现，减小光镊探针的尺寸、提高三维定位精度与多定位数据的结合可以提升测力精度。团队使用之前开发的离子共振纳米探针技术将探针尺寸减小到58纳米，结合机器学习图像分析技术和光学散光定位分析法进行三维方向的精确定位，进而将测力灵敏度提升到1.8 fN Hz–1/2 ，实现了三维测力的关键突破（图）。为验证准确性，研究团队对上转换纳米粒子的弱电场力进行了测量。结果显示，在0.1V和0.2V的静电场作用下，35mV表面电位的纳米粒子所受的平均电场力分别为591aN（阿牛）与1182aN，与理论结果一致。其中测量最小检测到的电场力为108.2aN，标志着水溶液中光子力显微镜实现了亚飞牛级别的测力精度。研究团队进一步将此技术应用于单纳米粒子的长程力测量，发现纳米颗粒与DNA分子之间存在长程作用力。

　　该研究开发了超分辨光子力学显微镜，并结合离子共振纳米探针、光学三维超分辨定位法和机器学习技术，实现了水溶液中纳米热力学极限的亚飞牛灵敏度力学操控和传感。该研究有望为DNA链相互作用及CRISPR与DNA分子相互作用，以及早癌细胞的生物力学与结构形貌变化提供有力的研究工具。