激光器發明之后，1970年美國貝爾（Bell）實驗室科學家Ashkin首次在實驗上實現了光鑷對微球的捕獲，標志著光鑷技術的誕生，打開了微觀納米粒子光操控的大門，因此被授予2018年諾貝爾物理學獎。光鑷技術由于具有無接觸、低損傷的特點，在生命科學、物理學領域有著廣泛的應用。基于此，光鑷的力學探測精度以及測量維度等指標在進行更為精密的測量中尤為重要，例如探測分子間、納米級結構間的作用力等。目前處于領先地位的是德國Lohmüller課題組，最高測力精度可以達到2.4 fN，但并未能成功實現三維力學測量。
據麥姆斯咨詢報道，近日，北京航空航天大學物理學院王帆團隊，聯合生物與醫學工程學院常凌乾團隊，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操控和傳感。這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，發表在《Nature Photonics》期刊上。北航為唯一通訊單位。
在此工作中，研究人員進行理論分析，發現低勢阱剛度、高定位精度與多定位數據可以提升測力精度。徑向平面的定位通過熒光質心的概率分布中心得到。此外，引入了超分辨率成像中柱透鏡的定位方法得到了更多的軸向信息，使得z方向精確定位過程可以經過神經網絡訓練得到（圖1），補齊了三維測力的最后一塊拼圖。
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（圖2）。實驗上，測量到了在0.1 V和0.2 V平行板靜電場作用下，具有35 mV表面電位的納米粒子所受平均電場力分別為591 aN與1182 aN，最小檢測到的電場力為108.2 aN。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。
研究人員在此研究基礎上，進一步研究了單納米粒子對金膜的相互作用力。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（圖3），這一微小的推力會隨著納米粒子的靠近而增強，這一作用力應該是激光散射造成的。此外，使用DNA修飾金膜之后，納米粒子所受的平均反向推力從80飛牛降低到約40飛牛。該實驗表明在水溶液中納米粒子與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。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。
本論文的第一作者為北京航空航天大學單旭晨助理教授、皇家墨爾本理工大學丁磊博士、北京航空航天大學博士生王大境。
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（https://mp.weixin.qq.com/s/7usm_GGZO8pT3QJ7bKrB2g）。
王帆課題組誠邀有光子學背景的青年才俊通過海外優青和北航海外人才計劃（https://mp.weixin.qq.com/s/s56ShDguH9dkhslh-zZd_A）加盟課題組。誠招光子學背景的優秀博士后（https://mp.weixin.qq.com/s/plio53yI98jORIriQSCHIw）、博士和碩士。更具體的信息請聯系fanwang@buaa.edu.cn。
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。入選教育部、中組部高層次人才計劃。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、中國科技新銳人物獎、MINE青年科學家等榮譽。
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。
