纳米力学探针光镊技术,单分子超微生物力学检测

MEMS 2024-06-19 00:02

激光器发明之后,1970年美国贝尔(Bell)实验室科学家Ashkin首次在实验上实现了光镊对微球的捕获,标志着光镊技术的诞生,打开了微观纳米粒子光操控的大门,因此被授予2018年诺贝尔物理学奖。光镊技术由于具有无接触、低损伤的特点,在生命科学、物理学领域有着广泛的应用。基于此,光镊的力学探测精度以及测量维度等指标在进行更为精密的测量中尤为重要,例如探测分子间、纳米级结构间的作用力等。目前处于领先地位的是德国Lohmüller课题组,最高测力精度可以达到2.4 fN,但并未能成功实现三维力学测量。

据麦姆斯咨询报道,近日,北京航空航天大学物理学院王帆团队,联合生物与医学工程学院常凌乾团队,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,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操控和传感。这项多学科交叉的研究成果相关工作以“Sub-femtonewton force sensing in solution by super-resolved photonic force microscopy”为题,发表在《Nature Photonics》期刊上。北航为唯一通讯单位。

在此工作中,研究人员进行理论分析,发现低势阱刚度、高定位精度与多定位数据可以提升测力精度。径向平面的定位通过荧光质心的概率分布中心得到。此外,引入了超分辨率成像中柱透镜的定位方法得到了更多的轴向信息,使得z方向精确定位过程可以经过神经网络训练得到(图1),补齐了三维测力的最后一块拼图。

图1 三维测力的实现原理


研究人员利用这种高精度定位方法研究了电场中上转换纳米粒子的弱电场力检测(图2)。实验上,测量到了在0.1 V和0.2 V平行板静电场作用下,具有35 mV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为108.2 aN。这是水溶液中光子力显微镜首次突破飞牛级别的测力精度。

图2 在均匀电场中测量被捕获单个纳米粒子的电场力的示意图


图3 纳米粒子Ln-NCs与金表面之间(电中性)的平均检测力,以及Ln-NCs与DNA修饰后的金表面(负电性)之间的检测力。


研究人员在此研究基础上,进一步研究了单纳米粒子对金膜的相互作用力。在研究中发现,当光镊操控纳米粒子靠近金膜的过程中会受到反方向的阻力(图3),这一微小的推力会随着纳米粒子的靠近而增强,这一作用力应该是激光散射造成的。此外,使用DNA修饰金膜之后,纳米粒子所受的平均反向推力从80飞牛降低到约40飞牛。该实验表明在水溶液中纳米粒子与DNA分子是具长程作用力的。该技术为探究生理环境中生物分子的长程相互作用提供了有效的工具。后续将使用该技术进行DNA链相互作用、以及CRISPR与DNA分子相互作用的力学研究。

本论文的第一作者为北京航空航天大学单旭晨助理教授、皇家墨尔本理工大学丁磊博士、北京航空航天大学博士生王大境。

通讯作者

王帆教授博士毕业于澳大利亚新南威尔士大学,从事纳米光子学与生物光子学研究。于2022年全职回到北航物理学院,建立纳米光子学课题组(www.fanwanglab.com)。王帆教授共发表SCI 文章90余篇,含Nature以及子刊13篇,通讯/共通讯文章含Nature PhotonicsNature NanotechnologyLight: Science & ApplicationsNature CommunicationAdvanced MaterialsOpticaNano Letters等。所有文章Web of Science累计他引超过4796次,h-index 33。主持基金委区域联合基金重点支持项目1项,面上项目1项,海外优青人才项目1项,北京市面上项目1项,参与科技部重点研发计划1项。任中国光学学会生物医学光子学委员会和中国光学工程学会计算成像专委会青年委员;担任APL PhotonicsFrontiers in Chemistry,中国稀土学报和中国激光杂志社青年编委,及ICPS,PIERS等国际会议组织委员。曾获得澳大利亚青年学者奖(DECRA)、澳大利亚David Syme研究奖以及iCANX青年科学家奖。受到Light People人物专访(https://mp.weixin.qq.com/s/7usm_GGZO8pT3QJ7bKrB2g)。

王帆课题组诚邀有光子学背景的青年才俊通过海外优青和北航海外人才计划(https://mp.weixin.qq.com/s/s56ShDguH9dkhslh-zZd_A)加盟课题组。诚招光子学背景的优秀博士后(https://mp.weixin.qq.com/s/plio53yI98jORIriQSCHIw)、博士和硕士。更具体的信息请联系fanwang@buaa.edu.cn

常凌乾,北京航空航天大学生物与医学工程学院教授。博士毕业于美国俄亥俄州立大学,曾于美国北德州大学任助理教授。入选教育部、中组部高层次人才计划。从事纳米医疗芯片研究(纳米电穿孔技术、细胞诊疗)。已发表100余篇SCI期刊论文,其中通讯论文75篇(期刊IF>10论文60篇),包括Nature Nanotechnology,Nature ElectronicsNature PhotonicsPNASNature CommunicationsScience Advances等;获工信部杰出青年奖,Micro Nano Engineering青年科学家奖 (全球每年3-4人,首位国内获奖人、中国科技新锐人物奖、MINE青年科学家等荣誉。

钟晓岚,教授,博士生导师。2014年毕业于中国科学院物理研究所获得光学博士学位。2013年4月-2017年5月先后在新加坡国立大学和法国斯特拉斯堡大学超分子科学与工程研究所做博士后研究。2017年6月,经北京航空航天大学“卓越百人”计划加入北航物理学院。发表SCI文章70余篇,包括Nature Nanotechnology,Angewandte Chemie International EditionACS NanoNano EnergyJournal of Materials Chemistry APhysical Review系列等,总引用3000余次,H因子29,单篇最高引用超过450次。主持/参与科研项目10余项,其中包括国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北航卓越百人支持计划,北航青年拔尖人才支持计划等。本领域国际会议做邀请报告、口头报告和海报20余次,并应多所著名大学及科研院所邀请做学术报告。研究成果得到了相关领域国际学术界的广泛关注。

论文链接:

https://doi.org/10.1038/s41566-024-01462-7

MEMS 中国首家MEMS咨询服务平台——麦姆斯咨询(MEMS Consulting)
评论 (0)
  • 文/郭楚妤编辑/cc孙聪颖‍越来越多的企业开始蚕食动力电池市场,行业“去宁王化”态势逐渐明显。随着这种趋势的加强,打开新的市场对于宁德时代而言至关重要。“我们不希望被定义为电池的制造者,而是希望把自己称作新能源产业的开拓者。”4月21日,在宁德时代举行的“超级科技日”发布会上,宁德时代掌门人曾毓群如是说。随着宁德时代核心新品骁遥双核电池的发布,其搭载的“电电增程”技术也走进业界视野。除此之外,经过近3年试水,宁德时代在换电业务上重资加码。曾毓群认为换电是一个重资产、高投入、长周期的产业,涉及的利
    华尔街科技眼 2025-04-28 21:55 113浏览
  • 贞光科技代理品牌紫光国芯的车规级LPDDR4内存正成为智能驾驶舱的核心选择。在汽车电子国产化浪潮中,其产品以宽温域稳定工作能力、优异电磁兼容性和超长使用寿命赢得市场认可。紫光国芯不仅确保供应链安全可控,还提供专业本地技术支持。面向未来,紫光国芯正研发LPDDR5车规级产品,将以更高带宽、更低功耗支持汽车智能化发展。随着智能网联汽车的迅猛发展,智能驾驶舱作为人机交互的核心载体,对处理器和存储器的性能与可靠性提出了更高要求。在汽车电子国产化浪潮中,贞光科技代理品牌紫光国芯的车规级LPDDR4内存凭借
    贞光科技 2025-04-28 16:52 189浏览
  • 4月22日下午,备受瞩目的飞凌嵌入式「2025嵌入式及边缘AI技术论坛」在深圳深铁皇冠假日酒店盛大举行,此次活动邀请到了200余位嵌入式技术领域的技术专家、企业代表和工程师用户,共享嵌入式及边缘AI技术的盛宴!1、精彩纷呈的展区产品及方案展区是本场活动的第一场重头戏,从硬件产品到软件系统,从企业级应用到高校教学应用,都吸引了现场来宾的驻足观看和交流讨论。全产品矩阵展区展示了飞凌嵌入式丰富的产品线,从嵌入式板卡到工控机,从进口芯片平台到全国产平台,无不体现出飞凌嵌入式在嵌入式主控设备研发设计方面的
    飞凌嵌入式 2025-04-28 14:43 125浏览
  • 晶振在使用过程中可能会受到污染,导致性能下降。可是污染物是怎么进入晶振内部的?如何检测晶振内部污染物?我可不可以使用超声波清洗?今天KOAN凯擎小妹将逐一解答。1. 污染物来源a. 制造过程:生产环境不洁净或封装密封不严,可能导致灰尘和杂质进入晶振。b. 使用环境:高湿度、温度变化、化学物质和机械应力可能导致污染物渗入。c. 储存不当:不良的储存环境和不合适的包装材料可能引发化学物质迁移。建议储存湿度维持相对湿度在30%至75%的范围内,有助于避免湿度对晶振的不利影响。避免雨淋或阳光直射。d.
    koan-xtal 2025-04-28 06:11 132浏览
  • 浪潮之上:智能时代的觉醒    近日参加了一场课题的答辩,这是医疗人工智能揭榜挂帅的国家项目的地区考场,参与者众多,围绕着医疗健康的主题,八仙过海各显神通,百花齐放。   中国大地正在发生着激动人心的场景:深圳前海深港人工智能算力中心高速运转的液冷服务器,武汉马路上自动驾驶出租车穿行的智慧道路,机器人参与北京的马拉松竞赛。从中央到地方,人工智能相关政策和消息如雨后春笋般不断出台,数字中国的建设图景正在智能浪潮中徐徐展开,战略布局如同围棋
    广州铁金刚 2025-04-30 15:24 123浏览
  • 在智能硬件设备趋向微型化的背景下,语音芯片方案厂商针对小体积设备开发了多款超小型语音芯片方案,其中WTV系列和WT2003H系列凭借其QFN封装设计、高性能与高集成度,成为微型设备语音方案的理想选择。以下从封装特性、功能优势及典型应用场景三个方面进行详细介绍。一、超小体积封装:QFN技术的核心优势WTV系列与WT2003H系列均提供QFN封装(如QFN32,尺寸为4×4mm),这种封装形式具有以下特点:体积紧凑:QFN封装通过减少引脚间距和优化内部结构,显著缩小芯片体积,适用于智能门铃、穿戴设备
    广州唯创电子 2025-04-30 09:02 144浏览
  •  探针台的维护直接影响其测试精度与使用寿命,需结合日常清洁、环境控制、定期校准等多维度操作,具体方法如下:一、日常清洁与保养1.‌表面清洁‌l 使用无尘布或软布擦拭探针台表面,避免残留清洁剂或硬物划伤精密部件。l 探针头清洁需用非腐蚀性溶剂(如异丙醇)擦拭,检查是否弯曲或损坏。2.‌光部件维护‌l 镜头、观察窗等光学部件用镜头纸蘸取wu水jiu精从中心向外轻擦,操作时远离火源并保持通风。3.‌内部防尘‌l 使用后及时吹扫灰尘,防止污染物进入机械滑
    锦正茂科技 2025-04-28 11:45 97浏览
  • 你是不是也有在公共场合被偷看手机或笔电的经验呢?科技时代下,不少现代人的各式机密数据都在手机、平板或是笔电等可携式的3C产品上处理,若是经常性地需要在公共场合使用,不管是工作上的机密文件,或是重要的个人信息等,民众都有防窃防盗意识,为了避免他人窥探内容,都会选择使用「防窥保护贴片」,以防止数据外泄。现今市面上「防窥保护贴」、「防窥片」、「屏幕防窥膜」等产品就是这种目的下产物 (以下简称防窥片)!防窥片功能与常见问题解析首先,防窥片最主要的功能就是用来防止他人窥视屏幕上的隐私信息,它是利用百叶窗的
    百佳泰测试实验室 2025-04-30 13:28 154浏览
  • 在CAN总线分析软件领域,当CANoe不再是唯一选择时,虹科PCAN-Explorer 6软件成为了一个有竞争力的解决方案。在现代工业控制和汽车领域,CAN总线分析软件的重要性不言而喻。随着技术的进步和市场需求的多样化,单一的解决方案已无法满足所有用户的需求。正是在这样的背景下,虹科PCAN-Explorer 6软件以其独特的模块化设计和灵活的功能扩展,为CAN总线分析领域带来了新的选择和可能性。本文将深入探讨虹科PCAN-Explorer 6软件如何以其创新的模块化插件策略,提供定制化的功能选
    虹科汽车智能互联 2025-04-28 16:00 147浏览
  • 随着电子元器件的快速发展,导致各种常见的贴片电阻元器件也越来越小,给我们分辨也就变得越来越难,下面就由smt贴片加工厂_安徽英特丽就来告诉大家如何分辨的SMT贴片元器件。先来看看贴片电感和贴片电容的区分:(1)看颜色(黑色)——一般黑色都是贴片电感。贴片电容只有勇于精密设备中的贴片钽电容才是黑色的,其他普通贴片电容基本都不是黑色的。(2)看型号标码——贴片电感以L开头,贴片电容以C开头。从外形是圆形初步判断应为电感,测量两端电阻为零点几欧,则为电感。(3)检测——贴片电感一般阻值小,更没有“充放
    贴片加工小安 2025-04-29 14:59 147浏览
  • 一、gao效冷却与控温机制‌1、‌冷媒流动设计‌采用低压液氮(或液氦)通过毛细管路导入蒸发器,蒸汽喷射至样品腔实现快速冷却,冷却效率高(室温至80K约20分钟,至4.2K约30分钟)。通过控温仪动态调节蒸发器加热功率,结合温度传感器(如PT100铂电阻或Cernox磁场不敏感传感器),实现±0.01K的高精度温度稳定性。2、‌宽温区覆盖与扩展性‌标准温区为80K-325K,通过降压选件可将下限延伸至65K(液氮模式)或4K(液氦模式)。可选配475K高温模块,满足材料在ji端温度下的性能测试需求
    锦正茂科技 2025-04-30 13:08 131浏览
  • 一、智能家居的痛点与创新机遇随着城市化进程加速,现代家庭正面临两大核心挑战:情感陪伴缺失:超60%的双职工家庭存在“亲子陪伴真空期”,儿童独自居家场景增加;操作复杂度攀升:智能设备功能迭代导致用户学习成本陡增,超40%用户因操作困难放弃高阶功能。而WTR096-16S录音语音芯片方案,通过“语音交互+智能录音”双核驱动,不仅解决设备易用性问题,更构建起家庭成员间的全天候情感纽带。二、WTR096-16S方案的核心技术突破1. 高保真语音交互系统动态情绪语音库:支持8种语气模板(温柔提醒/紧急告警
    广州唯创电子 2025-04-28 09:24 179浏览
  • 网约车,真的“饱和”了?近日,网约车市场的 “饱和” 话题再度引发热议。多地陆续发布网约车风险预警,提醒从业者谨慎入局,这背后究竟隐藏着怎样的市场现状呢?从数据来看,网约车市场的“过剩”现象已愈发明显。以东莞为例,截至2024年12月底,全市网约车数量超过5.77万辆,考取网约车驾驶员证的人数更是超过13.48万人。随着司机数量的不断攀升,订单量却未能同步增长,导致单车日均接单量和营收双双下降。2024年下半年,东莞网约出租车单车日均订单量约10.5单,而单车日均营收也不容乐
    用户1742991715177 2025-04-29 18:28 164浏览
  • 文/Leon编辑/cc孙聪颖‍2023年,厨电行业在相对平稳的市场环境中迎来温和复苏,看似为行业增长积蓄势能。带着对市场向好的预期,2024 年初,老板电器副董事长兼总经理任富佳为企业定下双位数增长目标。然而现实与预期相悖,过去一年,这家老牌厨电企业不仅未能达成业绩目标,曾提出的“三年再造一个老板电器”愿景,也因市场下行压力面临落空风险。作为“企二代”管理者,任富佳在掌舵企业穿越市场周期的过程中,正面临着前所未有的挑战。4月29日,老板电器(002508.SZ)发布了2024年年度报告及2025
    华尔街科技眼 2025-04-30 12:40 133浏览
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦