Nature Photonics | 突破弱力測量瓶頸！超分辨光子力顯微鏡

來源：Light新媒體 中國光學

課題組研究成果在中國光學報道

可參評中國光學十大社會影響力事件（Light10）

本文由論文作者團隊投稿

導 讀

近日，北京航空航天大學物理學院的王帆教授團隊，聯合生物與醫學工程學院常凌乾等人, 通過將離子共振納米探針、光學三維超分辨定位法與機器學習技術相結合，開發了超分辨光子力顯微鏡，并首次實現了水溶液中納米熱力學極限的亞飛牛靈敏度力學傳感。該項多學科交叉的研究成果相關工作以“Sub-femtonewton force sensing in solution by super-resolved photonic force microscopy”為題，發表于最新一期的Nature Photonics上。

北京航空航天大學為唯一通訊單位。論文的第一作者為北京航空航天大學單旭晨助理教授，澳大利亞皇家墨爾本理工大學丁磊博士和北京航空航天大學博士生王大境，共同通訊作者是北京航空航天大學王帆教授、鐘曉嵐教授、常凌乾教授，其中王帆教授主持了這項工作。文章作者還包括悉尼科技大學金大勇院士和中國科學院江雷院士。該研究得到國家自然科學基金區域聯合重點支持項目、面上項目、北京市自然科學基金等項目的資助。

從分子運動到引力波探測，精確力測量對探測生物和物理過程至關重要。然而，盡管測力技術不斷發展，但水溶液中弱力的三維納米尺度測量仍面臨重大挑戰。基于光鑷的光子力顯微鏡可實現飛牛頓級力學測量，但在實現納米級空間分辨率的同時超越飛牛頓靈敏度仍是一大難題。

為此，王帆課題組開發了一種超分辨光子力顯微鏡。他們利用鑭系離子摻雜納米粒子作為探針,結合機器學習算法從二維熒光圖像中提取超高精度三維定位信息。利用離子共振效應,該系統僅需10.22 mW激光功率即可穩定操控納米粒子，溫度變化小于1℃。

研究實現了水溶液中長程相互作用力的超靈敏測量，最小檢測力達108.2阿牛頓，遠超目前最高水平。這一技術有望廣泛應用于亞細胞水平的精細化力學檢測,為深入探索細胞內復雜生物過程提供新手段。

圖1：a, 單個被捕獲納米粒子在無外力作用下的三維位置分布。b ,（a）中的測量統計直方圖。c, 勢阱剛度對力靈敏度的影響。d, 力靈敏度隨 x 軸（i）、y 軸（ii）和 z 軸（iii）的定位精度而變化。e, 在小定位精度和大定位精度下，x 軸 (i)、y 軸 (ii) 和 z 軸 (iii) 的力靈敏度隨測量數據量的變化。

為了進一步提升z軸定位精度，將超分辨率成像中柱透鏡的定位方法引入到了光鑷三維定位方法之中。柱透鏡引入了更多的軸向信息，并且可以從圖像的長寬比中得到z軸的位置（圖2a、2b）。但是此種方法的定位精度在成像面附近不是很高（圖2c），因此研究者引入了機器學習的方法對不同軸向位置的圖像進行訓練得到了更好的定位精度（圖d、e、f和g）。

圖2：a, 被捕獲的Ln-NP在不同 z 位置的熒光圖像PSF寬度的變化。b, (a) 中PSF寬度的y/x比值隨軸向位置（z）的變化。c, 根據校準曲線 (b)，在不同軸向位置上熒光定位誤差。d, DNN的構建，通過記錄被困納米粒子在不同z位置上的視頻，對PSF特征進行識別。e, 在未知Z位置測量單個納米粒子的三維捕獲剛度。軸向捕獲剛度由DNN獲得，橫向剛度由中心法獲得。f，訓練網絡得到的單個納米粒子的捕獲軸向位置。g, 三維定位精度。

研究人員利用這種高精度定位方法研究了電場中上轉換納米粒子的弱電場力檢測。在上轉換納米粒子直徑為58納米，表面電勢約為35mV的時候，分別用0.1 V與0.2 V的電壓推動納米粒子，在此電場力作用下，納米粒子所受電場力分別為591 aN與1182 aN最小檢測到的電場力為108.2 aN（圖3i）。這是水溶液中光子力顯微鏡首次突破飛牛級別的測力精度。

圖3：a, 在均勻電場中測量被捕獲單個納米粒子的電場力的示意圖。b, 在10 V至-10 V的外加電場下被捕獲單個納米粒子的位置分布圖。c, 粒子中心移動和電極板產生的電場力。d, 計算得出的剛度和位置偏移隨測量時間的變化。e, 使用58納米Ln-NP在無外力作用下展示的納米級熱極限力靈敏度。f, Zetasizer測得的納米粒子塊體溶液的Zeta電位分布。g, 0.1 V和0.2 V外電勢下不同Zeta電位的單個Ln-NPs產生的光學力。h, 實驗測得的外力。i, 單個納米粒子#1-#8上的電場力。

研究人員在此研究基礎上，進一步對金膜的擾動力進行了深入研究。在研究中發現，當光鑷操控納米粒子靠近金膜的過程中會受到反方向的阻力，這一微小的推力會隨著納米粒子的靠近而增強。此外，將金膜表面敷上一層DNA鏈之后，納米粒子所受的反向推力從80飛牛降低到約40飛牛（圖4f）。該實驗表明在水溶液中納米顆粒與DNA分子是具長程作用力的。該技術為探究生理環境中生物分子的長程相互作用提供了有效的工具。

圖4：a, 測量相互作用力的原理圖。b, 被捕獲的單個納米粒子在不同位置的散點圖。c, 對照組中心與實驗中心位置的差值。d, 不同位置的捕獲剛度。e, 不同位置的檢測力。f，Ln-NCs與金表面之間的平均檢測力，以及Ln-NCs與涂有DNA的金表面之間的檢測力。

應用與展望

本工作報道的SRPFM是一種在生理溶液中可靠的納米級3D亞飛牛力傳感技術。利用深度神經網絡技術從二維熒光視頻中提取納米分辨率的三維位置，結合先進的離子共振納米光鑷技術，使力靈敏度降至熱極限，約為1.8 fN/√HZ，比報道的最佳靈敏度值高5倍。SRPFM技術可以檢測到單個納米顆粒低至108 aN的電場力。阿牛頓的靈敏度和Ln-NPs的出現使光鑷測力技術在亞細胞生物納米科學中具有廣闊的應用前景。經過表面修飾的Ln-NPs可以與外泌體和整合素等生物顆粒連接，以檢測納米級微小的生物力相互作用。這種SRPFM還提供了一種將Ln-NPs的溫度感知、冷卻和加熱能力與力感知相關聯的多功能高空間分辨率三維微擾傳感方法，為未來的物理學、生物學等研究方向打開了新的大門。王帆教授課題組后續將使用該技術進行DNA鏈相互作用、以及CRISPR與DNA分子相互作用的力學研究。歡迎有相關研究興趣的老師討論合作。

論文信息

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

主要作者簡介

第一作者

單旭晨，助理教授，中國博士后國際交流計劃引進項目，北京航空航天大學卓越百人博士后、卓越師資博士后。2022年畢業于悉尼科技大學獲得光學博士學位。自2017年攻讀博士以來一直從事納米材料以及光子學相關研究，師從悉尼科技大學金大勇院士、北京航空航天大學王帆教授。共參與發表SCI文章15篇，Google Scholar 近五年引用500余次。其中以第一作者發表Nature Nanotechnology、Nature Photonics等。2022年擔任“MDPI Sensors”特刊編輯，申請專利10余項。

丁磊，澳洲RMIT大學博后，現從事激光直寫技術在顯示和光場探測方面的應用，以及上轉換輔助的3D打印。2022年獲得悉尼科技大學光學博士學位。自2018年攻博以來，主要從事有機分子三重態湮滅上轉換和無機稀土摻雜上轉換的前沿研究，開發了納米水平的多模式散射干涉顯微鏡，單激光掃描的多路復用超分辨顯微鏡，以及aN水平的超弱力探測平臺。共發表SCI文章19篇，其中以第一/共一作者共發表8篇，包括Nat. Photonics, Adv. Mater., Adv. Sci., Nano Lett. Anal. Chem。

王大境，北航物理學院在讀博士生，師從王帆教授。主要從事納米光鑷方面的科學研究。

通訊作者

王帆**教授，**博士畢業于澳大利亞新南威爾士大學，從事納米光子學與生物光子學研究。于2022年全職回到北航物理學院，建立納米光子學課題組（www.fanwanglab.com）。王帆教授共發表SCI 文章90余篇，含Nature以及子刊13篇，通訊/共通訊文章含Nature Photonics, Nature Nanotechnology，Light: Science & Applications, Nature Communication, Advanced Materials, Optica, Nano Letters等。所有文章Web of Science 累計他引超過4796次，h-index 33。主持基金委區域聯合基金重點支持項目1項，面上項目1項，海外優青人才項目1項，北京市面上項目1項，參與科技部重點研發計劃1項。任中國光學學會生物醫學光子學委員會和中國光學工程學會計算成像專委會青年委員；擔任APL Photonics，Frontiers in Chemistry，中國稀土學報和中國激光雜志社青年編委，及ICPS, PIERS等國際會議組織委員。曾獲得澳大利亞青年學者獎(DECRA)、澳大利亞David Syme研究獎以及iCANX青年科學家獎。受到Light People人物專訪（《Light人物 | 專訪北京航空航天大學王帆教授》）。

常凌乾，北京航空航天大學生物與醫學工程學院教授。博士畢業于美國俄亥俄州立大學，曾于美國北德州大學任助理教授。國家級重大人才項目獲得者。從事納米醫療芯片研究（納米電穿孔技術、細胞診療）。已發表100余篇SCI期刊論文，其中通訊論文75篇（期刊IF>10論文60篇），包括Nature Nanotechnology, Nature Electronics, Nature Photonics, PNAS, Nature Communications, Science Advances等；獲工信部杰出青年獎，Micro Nano Engineering青年科學家獎 (全球每年3-4人, 首位國內獲獎人)、俄亥俄州立大學博士最高獎-校長獎、中國科技新銳人物獎、MINE青年科學家等榮譽。VIEW、Biosensors等10余部期刊副主編及編委。創立載愈生物，已完成兩輪融資3000余萬，申報2項醫療器械，估值1.5億。

鐘曉嵐，教授，博士生導師。2014年畢業于中國科學院物理研究所獲得光學博士學位。2013年4月-2017年5月先后在新加坡國立大學和法國斯特拉斯堡大學超分子科學與工程研究所做博士后研究。2017年6月，經北京航空航天大學“卓越百人”計劃加入北航物理學院。發表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，總引用3000余次，H因子29，單篇最高引用超過450次。主持/參與科研項目10余項，其中包括國家自然科學基金、北京市自然科學基金、北航卓越百人支持計劃，北航青年拔尖人才支持計劃等。本領域國際會議做邀請報告、口頭報告和海報20余次，并應多所著名大學及科研院所邀請做學術報告。研究成果得到了相關領域國際學術界的廣泛關注。