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哥伦比亚大学，2025年首篇Nature！

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-01-02 10:52

正文

第一作者：Natalie Fardian-Melamed

通讯作者：Natalie Fardian-Melamed, Bruce E. Cohen, Emory M. Chan & P. James Schuck

通讯单位：美国哥伦比亚大学，美国劳伦斯伯克利国家实验室

DOI：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08221-2

研究背景

机械力是许多物理和生物过程的基本特征，远程高灵敏度和高空间分辨率地测量机械信号对于包括机器人学、生物物理学、能量储存和医学在内的多种应用至关重要。纳米级发光力传感器在测量皮牛顿力方面表现出色，而更大的传感器在探测微牛顿力时显示出强大的能力。然而，在从亚表面或界面位置远程探测的力的大小上仍存在巨大差距，而且没有单个非侵入式传感器能够测量理解许多系统所需的大动态范围。

研究问题

本文展示了一种掺杂了Tm³⁺的雪崩纳米粒子力传感器，它可以通过深度穿透的近红外光远程激活，并能够检测跨越四个数量级以上的动态范围，从皮牛顿到微牛顿的力。通过结合原子力显微镜和单纳米粒子光学光谱技术，本文对光子雪崩过程中的机械敏感性进行了表征，并揭示了其卓越的力响应性。通过操控纳米传感器中的Tm³⁺浓度和能量转移，展示了不同的光学力传感模式，包括机械增亮和机械变色。这些纳米级光学力传感器的适应性，加上它们的多尺度感知能力，使得它们能够在现实世界中存在的动态和多样化环境中操作，涵盖从生物体到纳米机电系统的复杂结构。

图文解析

图1| 基于光子雪崩的纳米尺度力传感器

要点：

1.光学方法在微创机械传感方面表现卓越，能够以极高的灵敏度检测力引起的位移。然而，它们的空间分辨率受限于衍射极限。单个发光纳米探针可以作为局部力的传感器，但其动态范围有限，因此没有单一探针能够测量复杂系统中存在的力的范围（图1a）。尽管发光力传感器在理解细胞内的分子力方面已经证明是有用的，但仍然存在挑战，主要包括光稳定性有限（限制了连续的力监测）和依赖于可见波长（阻碍了表面下或深组织的测量）。

2.为了确定掺铥（Tm³⁺）的氟化钇钠（NaYF₄）纳米颗粒（ANPs）的力-光反应特性，本文在环境条件下将它们作为单个ANPs进行研究，使用原子力显微镜（AFM）探针施加力，并结合倒置光学显微镜进行近红外激发和发射测量（图1b）。为了尽量减少ANPs与探针或其他周围组件之间的猝灭或能量转移，本文合成了所有具有厚（>5 nm）未掺杂NaYF₄壳层的ANPs。

图2|单个ANP在四个数量级上的光学力感测

要点：

1.光子雪崩过程和观察到光子雪崩所需的最低激光强度取决于多个因素，包括ANP Tm³⁺的浓度、ANP材料的振动能模式以及晶场对称性对Tm³⁺电子能级的影响。本文认为这些因素可能对力敏感。例如，压缩力应该略微减小ANP内部的离子间距，从而可能影响能量传递速率。它也可能增加ANP振动模式的能量，从而提高非辐射速率，这将使雪崩起始点移至更高的激发强度（如图1c所示）。为了验证这一假设，本文测量了单个ANP在施加和未施加力的情况下发射强度与激发通量的关系（图2a）。结果表明，在施加200 nN的力时，测量得到的激发-发射曲线明显不同于未施加力时测得的曲线；在施加200 nN的力时，获得相同发射强度所需的激发强度比环境力下高出62%。

2.ANP激发-发射曲线随力的变化显著表明，在给定的泵浦功率下，单位力的ANP发射变化会很大，从而提供高光机械灵敏度。为了量化响应，本文在恒定泵浦功率下测量了一系列力对ANP光学发射的影响。在不同的泵浦功率下重复了这一测量，分别在单个ANP的雪崩区域（非线性程度s > 10）和饱和区域（s ≈ 2）（图2b）进行测量。结果表明，在所有泵浦功率下，ANP的光机械响应都异常大，能够在雪崩区域内检测到620皮牛顿的力，在饱和区域内检测到个位数纳牛顿的力（图2c,d）。

图3| 从ANP前到ANP机械增亮过程的灵敏度和可循环性

要点：

1.之前的研究表明发现，掺杂8% Tm³⁺ 的ANPs显示出特征性光子雪崩响应。但对于较低浓度（1%到4%），阈值强度不太明显，发射与激发曲线中观察到的非线性要小得多。由于光子雪崩通过发射镧系元素之间的高效交叉弛豫（一种能量转移形式）维持，而这种过程受到离子间距离、声子介导的过程和激发态吸收的影响，本文推测施加力可以增强这一过程，从而将前雪崩纳米颗粒（pre-ANP）转变为ANP。因此，本文设计了一组Tm³⁺浓度从7%到4%不等的颗粒，以寻找前雪崩浓度。结果表明，当按压Tm³⁺浓度低至4.5%的颗粒时，发射随施加的力减小。此外，4.5% Tm³⁺纳米颗粒在发射与激发之间表现出急剧的非线性（图2a），认为它们在环境条件下是ANPs。然而，当按压在环境条件下不发生雪崩的4% Tm³⁺纳米颗粒时，发射强度增加，并且仅在约400 nN的一次力斜坡下增强了4倍（图3a）。

2.为了测试力学增亮效应在力传感中的可行性，本文在不同的泵浦功率下，对单个前雪崩纳米颗粒（pre-ANP）反复施加0到2.5 µN的力。本文发现，在约400 nN时，前雪崩纳米颗粒转变为ANP，此后，现在的ANP遵循传统的ANP对力的响应——即发射减少。这为前雪崩纳米颗粒提供了大约400 nN的力学增亮力范围。单位力下的发射急剧增加使得在3秒内可以检测到低至475 pN的力（图3a，插图），为前雪崩纳米颗粒提供了368 pN Hz⁻^1/2的信噪比。能够在如此高的灵敏度下检测广泛的力范围，并伴有放大的发射信号，加上在连续泵浦和力作用下的信号稳健性和重复性（图3b），使前雪崩纳米颗粒在远程机械传感中极具吸引力。

3.为了进一步理解力如何将前雪崩纳米颗粒转变为ANP，本文对有无施加力的前雪崩纳米颗粒进行了激发-发射特性表征。与ANP的激发-发射曲线不同，后者在施加力时向右移动（图1c和2a），而前雪崩纳米颗粒的激发-发射曲线向上移动，非线性增加，表现为更大的激发-发射曲线斜率（图1d和3c）。这种独特的激发-发射特性变化，仅在前雪崩纳米颗粒施加力时观察到，突显了它们从前雪崩状态向雪崩状态的转变。

图4| 双波长ANP的比率计机械变色

要点：

1.为了设计出在主光子雪崩能级（³H₄）和附近能级（³F₃）都有显著发射的机械变色纳米传感器，本文提高了ANP中Tm³⁺的浓度。结果表明，对于15% Tm³⁺，在700 nm（³F₃能级）和800 nm（³H₄能级）处有相当大的发射（图4a），因此，本文将15% Tm³⁺的纳米颗粒称为“压电变色ANPs”。

2.当施加力时，与³F₃能级相比，³H₄能级的相对发射增加（图4a），并且压电变色ANP的总发射随着力的增加而减小，这与低Tm³⁺含量的ANPs相同（图2）。因此，这两条发射线的比率报告了所施加的力。机械光学响应，表现为每单位力800 nm/700 nm发射比率的百分比变化，在不同积分时间内探测的不同单颗粒之间是相同的（图4b），平均为54% μN^-1（图4c）。对于每个压电变色ANP，响应、环境力亮度和环境力双发射比率在高激发强度下连续泵浦以及反复压缩至2.5 μN后保持不变。压电变色ANPs发现的大的机械光学响应和环境力亮度，连同低的环境力双发射比率，使得能够在不到1分钟内检测到个位数纳牛顿的力（图4d），并产生NES为6.8 nN Hz^-1/2。

总结展望

总之，通过利用光子雪崩的高非线性特性，本文设计了纳米级、远程可控的、近红外输入和输出的、高动态范围的力传感器，其力敏感性位于现有光学纳米传感器无法触及的力范围内。通过选择纳米传感器中的Tm³⁺浓度，可以选择不同的读出模式（从机械增亮到机械变色），以及不同的力分辨率（从皮牛顿到纳牛顿）。能够远程和精确探测这些多尺度上的局部力将推动基础研究和关键应用的进步，允许发现和精确研究局部力学诱导过程，并最终实现它们的量化、空间分布的纳米映射以及技术设备和生理学中功能障碍的早期检测。

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