近日，北京航空航天大学物理学院王帆团队，联合生物与医学工程学院常凌乾团队，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《Nature Photonics》 上。北航为唯一通讯单位。

　　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。

　　在工作过程中，北航科研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2)。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591aN与1182aN，最小检测到的电场力为108.2aN。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. 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

　　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3)，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。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。

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

　　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。

　　论文链接：

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