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化工仪器网 项目成果】近日，北京航空航天大学物理学院的王帆教授团队与生物与医学工程学院的常凌乾等人联合研究，取得了纳米力学测量领域的重大突破。他们通过将离子共振纳米探针、光学三维超分辨定位法与机器学习技术相结合，成功
开发了超分辨光子力显微镜，并首次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。 该团队的研究成果以“Sub-femtonewton force sensing in solution by super-resolved photonic force microscopy”为题，发表在最新一期的《Nature Photonics》上。
自1970年科学家Ashkin首次实现光镊对微球的捕获以来，光镊技术因其无接触、低损伤的特点，在生命科学、物理学等领域得到了广泛应用。然而，传统的光镊技术在力学探测精度和测量维度等方面仍面临诸多挑战。王帆教授团队在前期研究中首次提出了稀土离子的共振光力增强原理，并基于这一原理，结合Ln-NPs纳米探针、荧光光镊和超分辨成像技术，成功开发出了超分辨光子力显微镜，实现了亚飞牛级别的测力精度。这一成果解决了水溶液中的弱力测量灵敏度难题，大幅提高了水溶液弱力测量的分辨率。
在该项研究中，研究团队进行了深入的理论分析，发现低势阱刚度、高定位精度与多定位数据可以显著提升测力精度。他们利用超分辨率成像中的柱透镜定位方法，结合神经网络训练，实现了轴向信息的精确获取，从而完成了三维测力的全面优化。
通过这一高精度定位方法，研究人员成功研究了电场中上转换纳米粒子的弱电场力检测。实验结果显示，在0.1V和0.2V平行板静电场作用下，具有35mV表面电位的纳米粒子所受平均电场力分别为591 aN与1182 aN，最小检测到的电场力更是达到了108.2 aN。这一成果标志着水溶液中光子力显微镜首次突破了飞牛级别的测力精度，为纳米力学探测领域树立了新的里程碑。
此外，研究人员还利用该技术研究了单纳米颗粒对金膜的相互作用力，并发现纳米粒子在靠近金膜时会受到反方向的阻力。这一发现为探究生理环境中生物分子的长程相互作用提供了新的视角和工具。王帆教授团队计划进一步利用该技术进行DNA链相互作用以及CRISPR与DNA分子相互作用的力学研究，为生命科学研究领域开辟新的道路。
