补齐三维测力最后一张拼图:北航团队研发超分辨光子力显微镜,突破水溶液...

发布网友发布时间：2024-09-29 10:10

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热心网友时间：2024-09-29 10:59

北京航空航天大学团队最近研发出一款超分辨光子力显微镜，实现了水溶液中纳米热力学极限的亚飞牛灵敏度力学传感。最小检测电场力为 108.2 aN，灵敏度达到 1.8 fN/√Hz。此成果结合了离子共振纳米探针、光学三维超分辨定位法及机器学习技术，解决了水溶液弱力测量难题，显著提高了水溶液弱力测量分辨率。这一技术能够测量 DNA 分子之间的极弱相互作用力，并为研究互补 DNA 链在水溶液中的配对效率提供有效工具。

对于 DNA 之间的相互作用力研究而言，水溶液中的极弱力检测至关重要。然而，目前水溶液中测力的最高灵敏度约为 10 fN/√Hz，要达到 1 fN 的分辨率则需要大约 100 秒的时间。先前的水溶液中最小弱力约为 2.4 fN，但为了测量单个分子的相互作用力及分子间的长程动态作用力，需要快速实现亚飞牛等级的相互作用力测量。团队先前已发现并提出了稀土离子的共振光力增强原理，通过将镧系离子掺杂纳米粒子（Ln-NPs）作为光力探针，检测能力提高约 30 倍，从而开发了弱力测量方法。理论探索与实验研究同步进行，以确定能测量的最小力，同时了解达到灵敏度极限所需的关键参数。

利用理论分析，研究团队发现利用较低的势阱刚度、较高的定位精度及大量定位数据，可以提高测力精度。荧光质心的概率分布中心用于确定径向平面的定位，结合超分辨率成像中的柱透镜定位方法，获得更多的轴向信息，使 z 方向的精确定位得以实现。这种高精度的定位方法应用于上转换纳米粒子在电场中的弱电场力检测，成功测量了表面电位为 35 mV 的纳米粒子所受到的平均电场力，并首次在水溶液中实现了飞牛级别的测力精度突破。

课题组进一步探讨了单个纳米颗粒与金膜的相互作用力，发现当光镊操控纳米粒子接近金膜时会受到反方向的阻力，随着纳米粒子靠近，这种微小的推力增强。研究人员推测原因在于激光散射引起。当金膜经过 DNA 修饰后，纳米粒子受到的平均反向推力从 80 飞牛降低至大约 40 飞牛，证实了纳米颗粒与 DNA 分子间存在长程相互作用。通过这一技术，课题组不仅能够在水溶液中测量 DNA 链之间的相互作用力，还能测量 DNA 与 CRISPR 蛋白等分子的相互作用，这将成为后续研究的重要方向。

此外，超分辨定位和颗粒的传感能力实现了超分辨传感成像，为现有技术所无法实现的领域提供了可能性。北航的团队目前正招聘光子学背景的博士后、博士和硕士，对这一领域感兴趣者可通过邮箱 fanwang@buaa.edu.cn 联系。