测量生物体内的作用力是理解其内部过程驱动因素的关键，但这项任务远非易事。它需要对在多个长度尺度上起作用的大范围力进行遥感，而目前可用的探头无法做到这一点。近日，Nature上线了两篇研究论文，发现发光纳米粒子可以填补这一空白。在第一篇论文中，Fardian Melamed等人利用一种称为光子雪崩的现象，以纳米空间分辨率测量从皮牛顿到微牛顿的力。在另一篇论文中，Casar等人使用相关的纳米粒子技术来测量秀丽隐杆线虫叮咬食物的力量。
图|利用光来感知力。a、 Fardian Melamed等人表明，力可以通过一种称为光子雪崩的现象来感知，这种现象发生在光激发晶体产生光子簇射时。作者将纳米晶体与离子嵌入以产生这种效应，并发现了力影响输出的三种方式。在其中之一（称为雪崩偏移）中，力增加了触发雪崩所需的功率，因此可以抑制发射光的爆发。b、 Casar等人研究了光激发嵌入离子的纳米晶体时产生的另一种效应；即入射的红外光引起绿光和红光的发射。作者发现，施加力会改变绿色/红色强度的比值，他们利用这一点来测量秀丽隐杆线虫在通过动物咽部时咬到含有纳米晶体的微球上的力。
如果发射光谱受到某些变化的影响，如温度、压力或化学环境的变化，发光分子或纳米粒子发出的光可用于遥感。一个很好的例子是嵌入（掺杂）发光镧系离子的纳米晶体。这些系统是优秀的光学传感器，因为当它们的温度或化学环境发生变化时，光谱中谱线的相对强度会发生变化。现在发现，这些纳米晶体也可以用来感知力的微妙变化。一种方法依赖于光子雪崩，即当光学激发的晶体产生一束光时，其强度会随着激发它的光强度的小幅增加而急剧增加：入射光会产生真正的光子雪崩。这种现象在40多年前就在大型晶体中发现了，但在2021年，科学家们意识到它也发生在掺杂铥离子的氟化钠钇纳米晶体中。在这些晶体中，微小的扰动，如温度变化或纳米晶体中的缺陷，可以改变启动雪崩所需的功率。Fardian Melamed等人表明，力也可以做到这一点。作者使用原子力显微镜（AFM）对掺杂的氟化钠钇纳米晶体施加力，并测量了触发光子雪崩所需的激发功率。他们观察到，在不同的力和掺杂条件下，有三种类型的变化：雪崩位移，其中诱导雪崩所需的功率增加；机械矫正，其中产生的发射强度增加；以及发射光谱本身发生变化的机械变色。通过这样做，他们表明这些变化可用于测量从数百皮牛顿（1pN为10-12N）到10µN的力。
论文1图|基于光子雪崩的纳米尺度力传感器
Casar等人报告了一种更直接的测量力的方法。同样，该方法依赖于发光的氟化钠钇纳米晶体，但作者没有用铥离子掺杂它们，而是使用了镧系元素铒和镱。当这些纳米晶体被红外辐射激发时，两个镱离子将其吸收的能量转移到铒离子上，使其达到高激发态，从而发出绿光。离子也可以弛豫到较低的能级，在该能级下发出红光，因此可以测量绿光和红光。Casar等人表明，当施加力时，红光和绿光的强度之比会发生变化。然后，研究人员将他们的纳米晶体嵌入细菌大小的聚苯乙烯微球中，因此可以进入秀丽隐杆线虫的消化系统。这些微球穿过一个被称为研磨器的齿状结构，在这个结构中，肌肉收缩使脊状角质层施加足够高的力来分解细菌细胞壁。Casar等人使用荧光显微镜记录了纳米晶体的发射光谱，该显微镜以微米级的空间分辨率监测随时间的变化。他们观察到，在记录触发肌肉收缩的电信号后，发射强度比立即发生了一致的变化。根据这一变化，他们推断咬合力约为10µN。通过直接测量发射强度比的变化来测量力是具有挑战性的，但Casar及其同事的实验表明，这是可以做到的。该方法可以扩展到更多的动物和系统，以深入了解依赖肌肉收缩的其他器官的功能。它甚至可以用来评估治疗的有效性，例如心脏病的治疗。导致发射强度比的力敏感性的原因尚不清楚，需要详细调查。这些研究也有助于阐明为什么Casar及其同事的力校准测量值因作者是在单个方向上施加力还是在所有方向上施加同等力而不同。光子雪崩可用于遥感各种力，但将这项技术应用于实际应用（如测量秀丽隐杆线虫施加的咬合力）仍然超出了目前的能力。即使可以在现场实现雪崩，局部力的测量和校准也可能受到温度变化和材料缺陷等干扰的影响。使用纳米晶体系综将单个纳米晶体方法扩展到探测力是复杂的，因为纳米晶体以不同的方式响应，即使它们来自同一批次。为了减轻这些外部扰动的影响，将力传感与温度等其他因素的独立测量相结合可能会有所帮助。Casar及其同事在微球中掺入纳米晶体也是限制纳米晶体化学环境变化影响的一种聪明方法，尽管这是以牺牲空间分辨率为代价的。令人鼓舞的是，在首次报道纳米晶体中的光子雪崩仅四年后，对这种惊人效应的应用研究正在蓬勃发展。这一时期还出现了许多新的纳米晶体的设计，包括一些结合了不同镧系离子并表现出光子雪崩的纳米晶体。令人兴奋的是，未来的研究将如何建立在这两项研究的成就之上，实现光对力的可靠原位传感。
- 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
