北航研發(fā)超分辨光子力顯微鏡 實(shí)現(xiàn)亞飛牛靈敏度力學(xué)傳感新突破
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】近日，北京航空航天大學(xué)物理學(xué)院的王帆教授團(tuán)隊(duì)與生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院的常凌乾等人聯(lián)合研究，取得了納米力學(xué)測(cè)量領(lǐng)域的重大突破。他們通過(guò)將離子共振納米探針、光學(xué)三維超分辨定位法與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，成功開(kāi)發(fā)了超分辨光子力顯微鏡，并首次實(shí)現(xiàn)了水溶液中納米熱力學(xué)極限的亞飛牛靈敏度力學(xué)傳感。
該團(tuán)隊(duì)的研究成果以“Sub-femtonewton force sensing in solution by super-resolved photonic force microscopy”為題，發(fā)表在最新一期的《Nature Photonics》上。
自1970年科學(xué)家Ashkin首次實(shí)現(xiàn)光鑷對(duì)微球的捕獲以來(lái)，光鑷技術(shù)因其無(wú)接觸、低損傷的特點(diǎn)，在生命科學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的光鑷技術(shù)在力學(xué)探測(cè)精度和測(cè)量維度等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。王帆教授團(tuán)隊(duì)在前期研究中首次提出了稀土離子的共振光力增強(qiáng)原理，并基于這一原理，結(jié)合Ln-NPs納米探針、熒光光鑷和超分辨成像技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)出了超分辨光子力顯微鏡，實(shí)現(xiàn)了亞飛牛級(jí)別的測(cè)力精度。這一成果解決了水溶液中的弱力測(cè)量靈敏度難題，大幅提高了水溶液弱力測(cè)量的分辨率。
在該項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了深入的理論分析，發(fā)現(xiàn)低勢(shì)阱剛度、高定位精度與多定位數(shù)據(jù)可以顯著提升測(cè)力精度。他們利用超分辨率成像中的柱透鏡定位方法，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了軸向信息的精確獲取，從而完成了三維測(cè)力的全面優(yōu)化。
通過(guò)這一高精度定位方法，研究人員成功研究了電場(chǎng)中上轉(zhuǎn)換納米粒子的弱電場(chǎng)力檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在0.1V和0.2V平行板靜電場(chǎng)作用下，具有35mV表面電位的納米粒子所受平均電場(chǎng)力分別為591 aN與1182 aN，最小檢測(cè)到的電場(chǎng)力更是達(dá)到了108.2 aN。這一成果標(biāo)志著水溶液中光子力顯微鏡首次突破了飛牛級(jí)別的測(cè)力精度，為納米力學(xué)探測(cè)領(lǐng)域樹(shù)立了新的里程碑。
此外，研究人員還利用該技術(shù)研究了單納米顆粒對(duì)金膜的相互作用力，并發(fā)現(xiàn)納米粒子在靠近金膜時(shí)會(huì)受到反方向的阻力。這一發(fā)現(xiàn)為探究生理環(huán)境中生物分子的長(zhǎng)程相互作用提供了新的視角和工具。王帆教授團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步利用該技術(shù)進(jìn)行DNA鏈相互作用以及CRISPR與DNA分子相互作用的力學(xué)研究，為生命科學(xué)研究領(lǐng)域開(kāi)辟新的道路。
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