Nature Photonics | 突破弱力测量瓶颈！超分辨光子力显微镜

来源：Light新媒体 中国光学

课题组研究成果在中国光学报道

可参评中国光学十大社会影响力事件（Light10）

本文由论文作者团队投稿

导 读

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。论文的第一作者为北京航空航天大学单旭晨助理教授，澳大利亚皇家墨尔本理工大学丁磊博士和北京航空航天大学博士生王大境，共同通讯作者是北京航空航天大学王帆教授、钟晓岚教授、常凌乾教授，其中王帆教授主持了这项工作。文章作者还包括悉尼科技大学金大勇院士和中国科学院江雷院士。该研究得到国家自然科学基金区域联合重点支持项目、面上项目、北京市自然科学基金等项目的资助。

从分子运动到引力波探测，精确力测量对探测生物和物理过程至关重要。然而，尽管测力技术不断发展，但水溶液中弱力的三维纳米尺度测量仍面临重大挑战。基于光镊的光子力显微镜可实现飞牛顿级力学测量，但在实现纳米级空间分辨率的同时超越飞牛顿灵敏度仍是一大难题。

为此，王帆课题组开发了一种超分辨光子力显微镜。他们利用镧系离子掺杂纳米粒子作为探针,结合机器学习算法从二维荧光图像中提取超高精度三维定位信息。利用离子共振效应,该系统仅需10.22 mW激光功率即可稳定操控纳米粒子，温度变化小于1℃。

研究实现了水溶液中长程相互作用力的超灵敏测量，最小检测力达108.2阿牛顿，远超目前最高水平。这一技术有望广泛应用于亚细胞水平的精细化力学检测,为深入探索细胞内复杂生物过程提供新手段。

图1：a, 单个被捕获纳米粒子在无外力作用下的三维位置分布。b ,（a）中的测量统计直方图。c, 势阱刚度对力灵敏度的影响。d, 力灵敏度随 x 轴（i）、y 轴（ii）和 z 轴（iii）的定位精度而变化。e, 在小定位精度和大定位精度下，x 轴 (i)、y 轴 (ii) 和 z 轴 (iii) 的力灵敏度随测量数据量的变化。

为了进一步提升z轴定位精度，将超分辨率成像中柱透镜的定位方法引入到了光镊三维定位方法之中。柱透镜引入了更多的轴向信息，并且可以从图像的长宽比中得到z轴的位置（图2a、2b）。但是此种方法的定位精度在成像面附近不是很高（图2c），因此研究者引入了机器学习的方法对不同轴向位置的图像进行训练得到了更好的定位精度（图d、e、f和g）。

图2：a, 被捕获的Ln-NP在不同 z 位置的荧光图像PSF宽度的变化。b, (a) 中PSF宽度的y/x比值随轴向位置（z）的变化。c, 根据校准曲线 (b)，在不同轴向位置上荧光定位误差。d, DNN的构建，通过记录被困纳米粒子在不同z位置上的视频，对PSF特征进行识别。e, 在未知Z位置测量单个纳米粒子的三维捕获刚度。轴向捕获刚度由DNN获得，横向刚度由中心法获得。f，训练网络得到的单个纳米粒子的捕获轴向位置。g, 三维定位精度。

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。在上转换纳米粒子直径为58纳米，表面电势约为35mV的时候，分别用0.1 V与0.2 V的电压推动纳米粒子，在此电场力作用下，纳米粒子所受电场力分别为591 aN与1182 aN最小检测到的电场力为108.2 aN（图3i）。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3：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。b, 在10 V至-10 V的外加电场下被捕获单个纳米粒子的位置分布图。c, 粒子中心移动和电极板产生的电场力。d, 计算得出的刚度和位置偏移随测量时间的变化。e, 使用58纳米Ln-NP在无外力作用下展示的纳米级热极限力灵敏度。f, Zetasizer测得的纳米粒子块体溶液的Zeta电位分布。g, 0.1 V和0.2 V外电势下不同Zeta电位的单个Ln-NPs产生的光学力。h, 实验测得的外力。i, 单个纳米粒子#1-#8上的电场力。

研究人员在此研究基础上，进一步对金膜的扰动力进行了深入研究。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，这一微小的推力会随着纳米粒子的靠近而增强。此外，将金膜表面敷上一层DNA链之后，纳米粒子所受的反向推力从80飞牛降低到约40飞牛（图4f）。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。

图4：a, 测量相互作用力的原理图。b, 被捕获的单个纳米粒子在不同位置的散点图。c, 对照组中心与实验中心位置的差值。d, 不同位置的捕获刚度。e, 不同位置的检测力。f，Ln-NCs与金表面之间的平均检测力，以及Ln-NCs与涂有DNA的金表面之间的检测力。

应用与展望

本工作报道的SRPFM是一种在生理溶液中可靠的纳米级3D亚飞牛力传感技术。利用深度神经网络技术从二维荧光视频中提取纳米分辨率的三维位置，结合先进的离子共振纳米光镊技术，使力灵敏度降至热极限，约为1.8 fN/√HZ，比报道的最佳灵敏度值高5倍。SRPFM技术可以检测到单个纳米颗粒低至108 aN的电场力。阿牛顿的灵敏度和Ln-NPs的出现使光镊测力技术在亚细胞生物纳米科学中具有广阔的应用前景。经过表面修饰的Ln-NPs可以与外泌体和整合素等生物颗粒连接，以检测纳米级微小的生物力相互作用。这种SRPFM还提供了一种将Ln-NPs的温度感知、冷却和加热能力与力感知相关联的多功能高空间分辨率三维微扰传感方法，为未来的物理学、生物学等研究方向打开了新的大门。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。

论文信息

Shan, X., Ding, L., Wang, D. et al. Sub-femtonewton force sensing in solution by super-resolved photonic force microscopy. Nat. Photon. (2024).

https://doi.org/10.1038/s41566-024-01462-7

主要作者简介

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。

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，海外优青人才项目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（《Light人物 | 专访北京航空航天大学王帆教授》）。

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。国家级重大人才项目获得者。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。