北航新闻网7月31日电（航宣）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。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为第一作者，北京航空航天大学王帆教授、常凌乾教授、钟晓岚教授为通讯作者，北京航空航天大学为唯一通讯单位。
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。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。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01462-7
附：北航作者简介
通讯作者
王帆 北京航空航天大学物理学院教授
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）。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，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。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。
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。入选国家高层次人才计划。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、中国科技新锐人物奖、MINE青年科学家等荣誉。
钟晓岚 北京航空航天大学物理学院教授
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，到北航物理学院任教。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。
（素材来源：物理学院 生物与医学工程学院）
（审核：李建伟）
编辑：贾爱平
