我國學者在光子力學顯微鏡研究方面取得新進展

圖 利用超分辨光子力學顯微鏡測量單納米顆粒受電場力

　　在國家自然科學基金項目（批準號：U23A20481、62275010、52073006）等資助下，北京航空航天大學物理學院王帆教授和鐘曉嵐教授團隊聯合生物與醫學工程學院常凌乾教授團隊，在光子力學顯微鏡研究方面取得新進展。研究成果以“超分辨光子力學顯微鏡實現水溶液中亞飛牛弱力測量（Sub-femtonewton force sensing in solution by super-resolved photonic force microscopy）”為題，于2024年6月14日在線發表于《自然?光子學》（Nature Photonics）期刊上。論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41566-024-01462-7。

　　光子力學顯微鏡具有光鑷技術的無接觸、低損傷的特點，在生命醫學等領域具有廣泛應用。目前測力靈敏度的最高記錄是使用尺寸0.5微米探針實現的10 fN Hz–1/2，可以檢測的最小力可達3fN(飛牛）以下，但是測力精度低于fN的三維力學測量仍然難以實現。

　　研究團隊在理論分析中發現，減小光鑷探針的尺寸、提高三維定位精度與多定位數據的結合可以提升測力精度。團隊使用之前開發的離子共振納米探針技術將探針尺寸減小到58納米，結合機器學習圖像分析技術和光學散光定位分析法進行三維方向的精確定位，進而將測力靈敏度提升到1.8 fN Hz–1/2 ，實現了三維測力的關鍵突破（圖）。為驗證準確性，研究團隊對上轉換納米粒子的弱電場力進行了測量。結果顯示，在0.1V和0.2V的靜電場作用下，35mV表面電位的納米粒子所受的平均電場力分別為591aN（阿牛）與1182aN，與理論結果一致。其中測量最小檢測到的電場力為108.2aN，標志著水溶液中光子力顯微鏡實現了亞飛牛級別的測力精度。研究團隊進一步將此技術應用于單納米粒子的長程力測量，發現納米顆粒與DNA分子之間存在長程作用力。

　　該研究開發了超分辨光子力學顯微鏡，并結合離子共振納米探針、光學三維超分辨定位法和機器學習技術，實現了水溶液中納米熱力學極限的亞飛牛靈敏度力學操控和傳感。該研究有望為DNA鏈相互作用及CRISPR與DNA分子相互作用，以及早癌細胞的生物力學與結構形貌變化提供有力的研究工具。