首頁
綜合新聞
北航超分辨光子力顯微鏡,突破水溶液亞飛牛靈敏度
發布時間:2024-06-17   作者: 訪問量:

近日,beat365英国官网网站beat365英国官网网站的王帆教授團隊,聯合生物與醫學工程學院常淩乾等人,通過将離子共振納米探針、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傳感。

該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,發表于最新一期的《Nature Photonics》 上。beat365英国官网网站為唯一通訊單位。

第一單位:beat365英国官网网站

第一作者:beat365英国官网网站單旭晨助理教授、皇家墨爾本理工大學丁磊博士、beat365英国官网网站博士生王大境

通訊作者:beat365英国官网网站王帆教授、常淩乾教授、鐘曉岚教授

光鑷的概念的産生源于17世紀初,德國天文學家開普勒提出光壓的概念解釋彗星尾背離太陽的現象,激光發明之後,1970年美國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,标志着光鑷技術的誕生,打開了圍觀顆粒光操控的大門,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,該技術在生命科學、物理學領域有廣泛的應用。已被證實可以實現對分子運動到引力波的精密探測。基于此,其力學探測精度以及測量的維度等指标在進行更為精密的測量種尤為重要,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2.4fN,且并未能成功實現三維力學測量。

在之前的研究中王帆教授等人首次提出了稀土離子的共振光力增強的原理,發現镧系離子摻雜納米粒子(Ln-NPs)作為光力探針相比于傳統納米探針的光力提高約30倍(Nature Nanotechnology, 2021)。在次基礎上,王帆課題組通過Ln-NPs納米探針與熒光光鑷、超分辨成像技術結合,開發了一種超分辨光子力顯微鏡,測力精度為亞飛牛等級。最小測量值達到了108.2阿牛頓(aN=0.001fN)。

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方向精确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後一塊拼圖。

圖1. 三維定實現原理

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2a)。實驗上,測量到了在0.1V和0.2V平行闆靜電場作用下,具有35mV表面電位的納米粒子所受平均電場力分别為591 aN與1182 aN(圖2h),最小檢測到的電場力為108.2 aN(圖2i)。這是水溶液中光子力顯微鏡首次突破飛牛級别的測力精度。

圖2. a, 在均勻電場中測量被捕獲單個納米粒子的電場力的示意圖。

圖3. 納米顆粒 Ln-NCs 與金表面之間(電中性)的平均檢測力,以及 Ln-NCs 與 DNA 修飾後的金表面(負電性)之間的檢測力。

研究人員在此研究基礎上,進一步研究了單納米顆粒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3c),這一微小的推力會随着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修飾金膜之後,納米粒子所受的平均反向推力從80飛牛降低到約40飛牛(圖3f)。該實驗表明在水溶液中納米顆粒與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。王帆教授課題組後續将使用該技術進行DNA鍊相互作用、以及CRISPR與DNA分子相互作用的力學研究。歡迎有相關研究興趣的老師讨論合作。

全文鍊接:

https://www.nature.com/articles/s41566-024-01462-7

第一作者:

單旭晨,助理教授,中國博士後國際交流計劃引進項目,beat365英国官网网站卓越百人博士後、卓越師資博士後。2022年畢業于悉尼科技大學獲得光學博士學位。自2017年攻讀博士以來一直從事納米材料以及光子學相關研究,師從悉尼科技大學金大勇院士、beat365英国官网网站王帆教授。共參與發表SCI 文章15篇,Google Scholar 近五年引用500餘次。其中以第一作者發表Nature Nanotechnology、Nature Photonics等。2022年擔任“MDPI Sensors”特刊編輯,申請專利10餘項。

丁磊,澳洲RMIT大學博後,現從事激光直寫技術在顯示和光場探測方面的應用,以及上轉換輔助的3D打印。2022年獲得悉尼科技大學光學博士學位。自2018年攻博以來,主要從事有機分子三重态湮滅上轉換和無機稀土摻雜上轉換的前沿研究,開發了納米水平的多模式散射幹涉顯微鏡,單激光掃描的多路複用超分辨顯微鏡,以及aN水平的超弱力探測平台。共發表SCI文章19篇,其中以第一/共一作者共發表8篇,包括Nat. Photonics, Adv. Mater., Adv. Sci., Nano Lett., Anal. Chem。

王大境,北航beat365英国官网网站在讀博士生,師從王帆教授。主要從事納米光鑷方面的科學研究,已發表SCI論文4篇:Nature Photonics, Advanced Materials, Nano Letters, Optics Express。

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beat365英国官网网站,建立納米光子學課題組(www.fanwanglab.com)。王帆教授共發表SCI 文章90餘篇,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,國家級青年人才項目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國家級青年人才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後(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

常淩乾, beat365英国官网网站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餘篇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;獲工信部傑出青年獎,Micro Nano Engineering青年科學家獎 (全球每年3-4人, 首位國内獲獎人)、俄亥俄州立大學博士最高獎-校長獎、中國科技新銳人物獎、MINE青年科學家等榮譽。VIEW、Biosensors等10餘部期刊副主編及編委。創立載愈生物,已完成兩輪融資3000餘萬,申報2項醫療器械,估值1.5億。

鐘曉岚,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月先後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後研究。2017年6月,經beat365英国官网网站“卓越百人”計劃加入北航beat365英国官网网站。發表SCI文章70餘篇,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餘次,H因子29,單篇最高引用超過450次。主持/參與科研項目10餘項,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餘次,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。