測量生物體內的作用力是理解其內部過程驅動因素的關鍵，但這項任務遠非易事。它需要對在多個長度尺度上起作用的大范圍力進行遙感，而目前可用的探頭無法做到這一點。近日，Nature上線了兩篇研究論文，發現發光納米粒子可以填補這一空白。在第一篇論文中，Fardian Melamed等人利用一種稱為光子雪崩的現象，以納米空間分辨率測量從皮牛頓到微牛頓的力。在另一篇論文中，Casar等人使用相關的納米粒子技術來測量秀麗隱桿線蟲叮咬食物的力量。
圖|利用光來感知力。a、 Fardian Melamed等人表明，力可以通過一種稱為光子雪崩的現象來感知，這種現象發生在光激發晶體產生光子簇射時。作者將納米晶體與離子嵌入以產生這種效應，并發現了力影響輸出的三種方式。在其中之一（稱為雪崩偏移）中，力增加了觸發雪崩所需的功率，因此可以抑制發射光的爆發。b、 Casar等人研究了光激發嵌入離子的納米晶體時產生的另一種效應；即入射的紅外光引起綠光和紅光的發射。作者發現，施加力會改變綠色/紅色強度的比值，他們利用這一點來測量秀麗隱桿線蟲在通過動物咽部時咬到含有納米晶體的微球上的力。
如果發射光譜受到某些變化的影響，如溫度、壓力或化學環境的變化，發光分子或納米粒子發出的光可用于遙感。一個很好的例子是嵌入（摻雜）發光鑭系離子的納米晶體。這些系統是優秀的光學傳感器，因為當它們的溫度或化學環境發生變化時，光譜中譜線的相對強度會發生變化?，F在發現，這些納米晶體也可以用來感知力的微妙變化。一種方法依賴于光子雪崩，即當光學激發的晶體產生一束光時，其強度會隨著激發它的光強度的小幅增加而急劇增加：入射光會產生真正的光子雪崩。這種現象在40多年前就在大型晶體中發現了，但在2021年，科學家們意識到它也發生在摻雜銩離子的氟化鈉釔納米晶體中。在這些晶體中，微小的擾動，如溫度變化或納米晶體中的缺陷，可以改變啟動雪崩所需的功率。Fardian Melamed等人表明，力也可以做到這一點。作者使用原子力顯微鏡（AFM）對摻雜的氟化鈉釔納米晶體施加力，并測量了觸發光子雪崩所需的激發功率。他們觀察到，在不同的力和摻雜條件下，有三種類型的變化：雪崩位移，其中誘導雪崩所需的功率增加；機械矯正，其中產生的發射強度增加；以及發射光譜本身發生變化的機械變色。通過這樣做，他們表明這些變化可用于測量從數百皮牛頓（1pN為10-12N）到10μN的力。
論文1圖|基于光子雪崩的納米尺度力傳感器
Casar等人報告了一種更直接的測量力的方法。同樣，該方法依賴于發光的氟化鈉釔納米晶體，但作者沒有用銩離子摻雜它們，而是使用了鑭系元素鉺和鐿。當這些納米晶體被紅外輻射激發時，兩個鐿離子將其吸收的能量轉移到鉺離子上，使其達到高激發態，從而發出綠光。離子也可以弛豫到較低的能級，在該能級下發出紅光，因此可以測量綠光和紅光。Casar等人表明，當施加力時，紅光和綠光的強度之比會發生變化。然后，研究人員將他們的納米晶體嵌入細菌大小的聚苯乙烯微球中，因此可以進入秀麗隱桿線蟲的消化系統。這些微球穿過一個被稱為研磨器的齒狀結構，在這個結構中，肌肉收縮使脊狀角質層施加足夠高的力來分解細菌細胞壁。Casar等人使用熒光顯微鏡記錄了納米晶體的發射光譜，該顯微鏡以微米級的空間分辨率監測隨時間的變化。他們觀察到，在記錄觸發肌肉收縮的電信號后，發射強度比立即發生了一致的變化。根據這一變化，他們推斷咬合力約為10μN。通過直接測量發射強度比的變化來測量力是具有挑戰性的，但Casar及其同事的實驗表明，這是可以做到的。該方法可以擴展到更多的動物和系統，以深入了解依賴肌肉收縮的其他器官的功能。它甚至可以用來評估治療的有效性，例如心臟病的治療。導致發射強度比的力敏感性的原因尚不清楚，需要詳細調查。這些研究也有助于闡明為什么Casar及其同事的力校準測量值因作者是在單個方向上施加力還是在所有方向上施加同等力而不同。光子雪崩可用于遙感各種力，但將這項技術應用于實際應用（如測量秀麗隱桿線蟲施加的咬合力）仍然超出了目前的能力。即使可以在現場實現雪崩，局部力的測量和校準也可能受到溫度變化和材料缺陷等干擾的影響。使用納米晶體系綜將單個納米晶體方法擴展到探測力是復雜的，因為納米晶體以不同的方式響應，即使它們來自同一批次。為了減輕這些外部擾動的影響，將力傳感與溫度等其他因素的獨立測量相結合可能會有所幫助。Casar及其同事在微球中摻入納米晶體也是限制納米晶體化學環境變化影響的一種聰明方法，盡管這是以犧牲空間分辨率為代價的。令人鼓舞的是，在首次報道納米晶體中的光子雪崩僅四年后，對這種驚人效應的應用研究正在蓬勃發展。這一時期還出現了許多新的納米晶體的設計，包括一些結合了不同鑭系離子并表現出光子雪崩的納米晶體。令人興奮的是，未來的研究將如何建立在這兩項研究的成就之上，實現光對力的可靠原位傳感。
- 1. Fardian-Melamed, N., Skripka, A., Ursprung, B. et al. Infrared nanosensors of piconewton to micronewton forces. Nature 637, 70–75 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08221-2
- 2. Casar, J.R., McLellan, C.A., Shi, C. et al. Upconverting microgauges reveal intraluminal force dynamics in vivo. Nature 637, 76–83 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08331-x
