近日，北京航空航天大学物理学院的王帆教授团队，联合生物与医学工程学院常凌乾等人，通过将离子共振纳米探针、光学三维超分辨定位法与机器学习技术相结合，开发了超分辨光子力显微镜，并首次实现了水溶液中纳米热力学极限的亚飞牛灵敏度力学传感。

该项多学科交叉的研究成果相关工作以“Sub-femtonewton force sensing in solution by super-resolved photonic force microscopy”为题，发表于最新一期的《Nature Photonics》 上。北京航空航天大学为唯一通讯单位。

第一单位：北京航空航天大学

第一作者：北京航空航天大学单旭晨助理教授、皇家墨尔本理工大学丁磊博士、北京航空航天大学博士生王大境

通讯作者：北京航空航天大学王帆教授、常凌乾教授、钟晓岚教授

光镊的概念的产生源于17世纪初，德国天文学家开普勒提出光压的概念解释彗星尾背离太阳的现象，激光发明之后，1970年美国Bell实验室科学家Ashkin首次在实验上实现了光镊对微球的捕获，标志着光镊技术的诞生，打开了围观颗粒光操控的大门，因此被授予2018年诺贝尔物理学奖。光镊技术由于具有无接触、低损伤的特点，该技术在生命科学、物理学领域有广泛的应用。已被证实可以实现对分子运动到引力波的精密探测。基于此，其力学探测精度以及测量的维度等指标在进行更为精密的测量种尤为重要，例如探测分子间、纳米级结构间的作用力等。目前处于领先地位的是德国Lohmüller课题组，最高测力精度可以达到2.4fN，且并未能成功实现三维力学测量。

在之前的研究中王帆教授等人首次提出了稀土离子的共振光力增强的原理，发现镧系离子掺杂纳米粒子（Ln-NPs）作为光力探针相比于传统纳米探针的光力提高约30倍（Nature Nanotechnology, 2021）。在次基础上，王帆课题组通过Ln-NPs纳米探针与荧光光镊、超分辨成像技术结合，开发了一种超分辨光子力显微镜，测力精度为亚飞牛等级。最小测量值达到了108.2阿牛顿(aN=0.001fN)。

在此工作中研究人员进行理论分析。发现低势阱刚度、高定位精度与多定位数据可以提升测力精度。径向平面的定位通过荧光质心的概率分布中心得到。此外，引入了超分辨率成像中柱透镜的定位方法得到了更多的轴向信息，使得z方向精确定位过程可以经过神经网络训练得到（图1），补齐了三维测力的最后一块拼图。

图1. 三维定实现原理

研究人员利用这种高精度定位方法研究了电场中上转换纳米粒子的弱电场力检测（图2a）。实验上，测量到了在0.1V和0.2V平行板静电场作用下，具有35mV表面电位的纳米粒子所受平均电场力分别为591 aN与1182 aN（图2h），最小检测到的电场力为108.2 aN（图2i）。这是水溶液中光子力显微镜首次突破飞牛级别的测力精度。

图2. a, 在均匀电场中测量被捕获单个纳米粒子的电场力的示意图。

图3. 纳米颗粒 Ln-NCs 与金表面之间（电中性）的平均检测力，以及 Ln-NCs 与 DNA 修饰后的金表面（负电性）之间的检测力。

研究人员在此研究基础上，进一步研究了单纳米颗粒对金膜的相互作用力。在研究中发现，当光镊操控纳米粒子靠近金膜的过程中会受到反方向的阻力（图3c），这一微小的推力会随着纳米粒子的靠近而增强，这一作用力应该是激光散射造成的。此外，使用DNA修饰金膜之后，纳米粒子所受的平均反向推力从80飞牛降低到约40飞牛（图3f）。该实验表明在水溶液中纳米颗粒与DNA分子是具长程作用力的。该技术为探究生理环境中生物分子的长程相互作用提供了有效的工具。王帆教授课题组后续将使用该技术进行DNA链相互作用、以及CRISPR与DNA分子相互作用的力学研究。欢迎有相关研究兴趣的老师讨论合作。

全文链接：

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

第一作者：

单旭晨，助理教授，中国博士后国际交流计划引进项目，北京航空航天大学卓越百人博士后、卓越师资博士后。2022年毕业于悉尼科技大学获得光学博士学位。自2017年攻读博士以来一直从事纳米材料以及光子学相关研究，师从悉尼科技大学金大勇院士、北京航空航天大学王帆教授。共参与发表SCI 文章15篇，Google Scholar 近五年引用500余次。其中以第一作者发表Nature Nanotechnology、Nature Photonics等。2022年担任“MDPI Sensors”特刊编辑，申请专利10余项。

丁磊，澳洲RMIT大学博后，现从事激光直写技术在显示和光场探测方面的应用，以及上转换辅助的3D打印。2022年获得悉尼科技大学光学博士学位。自2018年攻博以来，主要从事有机分子三重态湮灭上转换和无机稀土掺杂上转换的前沿研究，开发了纳米水平的多模式散射干涉显微镜，单激光扫描的多路复用超分辨显微镜，以及aN水平的超弱力探测平台。共发表SCI文章19篇，其中以第一/共一作者共发表8篇，包括Nat. Photonics, Adv. Mater., Adv. Sci., Nano Lett., Anal. Chem。

王大境，北航物理学院在读博士生，师从王帆教授。主要从事纳米光镊方面的科学研究，已发表SCI论文4篇：Nature Photonics, Advanced Materials, Nano Letters, Optics Express。

通讯作者

王帆教授博士毕业于澳大利亚新南威尔士大学，从事纳米光子学与生物光子学研究。于2022年全职回到北航物理学院，建立纳米光子学课题组（www.fanwanglab.com）。王帆教授共发表SCI 文章90余篇，含Nature以及子刊13篇， 通讯/共通讯文章含Nature Photonics, Nature Nanotechnology，Light: Science & Applications, Nature Communication, Advanced Materials, Optica, Nano Letters等。所有文章Web of Science 累计他引超过4796次，h-index 33。主持基金委区域联合基金重点支持项目1项，面上项目1项，国家级青年人才项目1项，北京市面上项目1项，参与科技部重点研发计划1项。任中国光学学会生物医学光子学委员会和中国光学工程学会计算成像专委会青年委员；担任APL Photonics，Frontiers in Chemistry，中国稀土学报和中国激光杂志社青年编委，及ICPS, PIERS等国际会议组织委员。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（https://mp.weixin.qq.com/s/7usm_GGZO8pT3QJ7bKrB2g）。

王帆课题组诚邀有光子学背景的青年才俊通过国家级青年人才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（https://mp.weixin.qq.com/s/plio53yI98jORIriQSCHIw）、博士和硕士。更具体的信息请联系fanwang@buaa.edu.cn

常凌乾, 北京航空航天大学生物与医学工程学院教授。博士毕业于美国俄亥俄州立大学，曾于美国北德州大学任助理教授。入选教育部、中组部高层次人才计划。从事纳米医疗芯片研究（纳米电穿孔技术、细胞诊疗）。已发表100余篇SCI期刊论文，其中通讯论文75篇（期刊IF>10论文60篇），包括Nature Nanotechnology, Nature Electronics, Nature Photonics, PNAS, Nature Communications, Science Advances等；获工信部杰出青年奖，Micro Nano Engineering青年科学家奖 (全球每年3-4人, 首位国内获奖人)、俄亥俄州立大学博士最高奖-校长奖、中国科技新锐人物奖、MINE青年科学家等荣誉。VIEW、Biosensors等10余部期刊副主编及编委。创立载愈生物，已完成两轮融资3000余万，申报2项医疗器械，估值1.5亿。

钟晓岚，教授，博士生导师。2014年毕业于中国科学院物理研究所获得光学博士学位。2013年4月-2017年5月先后在新加坡国立大学和法国斯特拉斯堡大学超分子科学与工程研究所做博士后研究。2017年6月，经北京航空航天大学“卓越百人”计划加入北航物理学院。发表SCI文章70余篇，包括Nature Nanotechnology,Angewandte Chemie International Edition,ACS Nano,Nano Energy,Journal of Materials Chemistry A,Physical Review系列等，总引用3000余次，H因子29，单篇最高引用超过450次。主持/参与科研项目10余项，其中包括国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北航卓越百人支持计划，北航青年拔尖人才支持计划等。本领域国际会议做邀请报告、口头报告和海报20余次，并应多所著名大学及科研院所邀请做学术报告。研究成果得到了相关领域国际学术界的广泛关注。