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近日，北(bei)京(jing)航空航天大學物(wu)理學院王帆團隊(dui)，聯合(he)(he)生物(wu)與醫學工程(cheng)學院常凌乾團隊(dui)，通過將離子共振納米探針、光學三維(wei)超分辨定位法與機器(qi)學習技(ji)術(shu)相結合(he)(he)，開發了超分辨光子力顯(xian)微(wei)鏡，并實(shi)現了水溶液(ye)中納米熱力學極限(xian)的亞飛牛靈敏度力學操(cao)控和(he)傳感。
該項多學(xue)科交(jiao)叉(cha)的研究成果相關工作以(yi)“Sub-femtonewton force sensing in solution by super-resolved photonic force microscopy”為(wei)題，發表于《Nature Photonics》 上。北航為(wei)唯一通訊單位。
1970年美國Bell實(shi)驗(yan)室科學家Ashkin首次在實(shi)驗(yan)上實(shi)現了光(guang)(guang)鑷對微球的(de)(de)捕獲，標志(zhi)著光(guang)(guang)鑷技術的(de)(de)誕生，打開了圍觀顆粒(li)光(guang)(guang)操控的(de)(de)大門，因此被(bei)授予2018年諾(nuo)貝爾物理(li)學獎。
在工作過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，北航科研人員進(jin)行(xing)理論分析(xi)發(fa)現低(di)勢阱剛度、高定位(wei)精度與多(duo)定位(wei)數據可以提升測力精度。徑向(xiang)平(ping)面的(de)(de)定位(wei)通過(guo)熒光質心(xin)的(de)(de)概率(lv)分布中(zhong)(zhong)心(xin)得到(dao)。此外，引入了(le)超分辨率(lv)成像中(zhong)(zhong)柱(zhu)透鏡的(de)(de)定位(wei)方法得到(dao)了(le)更多(duo)的(de)(de)軸(zhou)向(xiang)信息，使得z方向(xiang)精確定位(wei)過(guo)程(cheng)可以經過(guo)神經網絡(luo)訓練(lian)得到(dao)(圖1)，補齊了(le)三維測力的(de)(de)最后一塊拼圖。
圖1. 三維定實現原理
研究人員利用這(zhe)種高精度定位方法研究了(le)電(dian)場(chang)(chang)中(zhong)上轉換納(na)米粒(li)子(zi)的(de)(de)弱電(dian)場(chang)(chang)力檢測(圖2)。實驗(yan)上，測量到了(le)在0.1V和0.2V平行板靜電(dian)場(chang)(chang)作用下，具有35mV表面電(dian)位的(de)(de)納(na)米粒(li)子(zi)所受平均(jun)電(dian)場(chang)(chang)力分別為(wei)591aN與1182aN，最小檢測到的(de)(de)電(dian)場(chang)(chang)力為(wei)108.2aN。這(zhe)是(shi)水溶液中(zhong)光子(zi)力顯微鏡首次突破(po)飛牛級別的(de)(de)測力精度。
圖2. 在(zai)均勻電(dian)場中測量被捕獲(huo)單個納米(mi)粒子的電(dian)場力的示意(yi)圖
研究(jiu)人員在此研究(jiu)基礎上(shang)，進一(yi)步研究(jiu)了單納(na)米(mi)顆粒(li)(li)(li)對金(jin)膜(mo)的相互(hu)作用力(li)(li)。在研究(jiu)中(zhong)發現，當(dang)光(guang)鑷操控納(na)米(mi)粒(li)(li)(li)子靠(kao)近(jin)金(jin)膜(mo)的過(guo)程中(zhong)會受(shou)到(dao)反方向(xiang)的阻力(li)(li)(圖(tu)3)，這一(yi)微(wei)小的推(tui)力(li)(li)會隨著納(na)米(mi)粒(li)(li)(li)子的靠(kao)近(jin)而增強，這一(yi)作用力(li)(li)應該(gai)是激(ji)光(guang)散(san)射造(zao)成的。此外，使(shi)用DNA修飾金(jin)膜(mo)之后，納(na)米(mi)粒(li)(li)(li)子所(suo)受(shou)的平均反向(xiang)推(tui)力(li)(li)從80飛牛降低到(dao)約40飛牛。該(gai)實驗表明(ming)在水溶液中(zhong)納(na)米(mi)顆粒(li)(li)(li)與DNA分子是具長程作用力(li)(li)的。
圖(tu)3. 納米顆粒 Ln-NCs 與金表(biao)面(mian)之間(jian)(電中性(xing))的(de)平均檢測力(li)，以及 Ln-NCs 與 DNA 修飾后的(de)金表(biao)面(mian)(負(fu)電性(xing))之間(jian)的(de)檢測力(li)
該技術為探究生理(li)環(huan)境(jing)中生物(wu)分(fen)子的長(chang)程相互作用提供了有效的工具。
論文鏈接：
//www.nature.com/articles/s41566-024-01462-7
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