摘要：机械力和电场，是生物体传递信号、感知环境的两种重要方式。在生物系统中，力的作用范围广泛，从器官水平的牛顿级到细胞内部的亚皮牛顿级。肌肉收缩产生的力足以举起重物，举重运动员的肌肉力量可超过1000 kN；动脉承受血液流动带来的剪切应力为~10 mN；壁虎攀爬时，
机械力和电场，是生物体传递信号、感知环境的两种重要方式。在生物系统中，力的作用范围广泛，从器官水平的牛顿级到细胞内部的亚皮牛顿级。肌肉收缩产生的力足以举起重物，举重运动员的肌肉力量可超过1000 kN；动脉承受血液流动带来的剪切应力为~10 mN；壁虎攀爬时，脚上每根刚毛施加的力为~20 μN；细胞普遍需要抵抗约10 nN的重力，而运动蛋白在细胞内运输物质时施加的力仅为~5 pN [1]。
机械力动态范围与传感器尺寸的对比。图片来源：Nature
这些力，或压缩或拉伸，或各向同性或各向异性，在细胞形态中起着重要作用。例如，干细胞的形态受周围基质刚度影响而发生改变，而细胞刚度的变化也可能成为癌症的早期指标。如何能够以高灵敏度和高空间分辨率并且非侵入式地测量这些机械力信号，对于理解生物系统的运行至关重要。
生物系统中的机械力和电场。图片来源：Nat. Rev. Mater. [1]
近日，美国哥伦比亚大学P. James Schuck课题组与劳伦斯伯克利国家实验室Bruce E. Cohen和Emory M. Chan合作在Nature 杂志上发表论文，开发了一种全新的纳米级力传感器，具有同类纳米探针中最高的响应灵敏度，其检测范围跨越四个数量级，从皮牛顿（pN）到微牛顿（μN）。这种传感器基于铥离子（Tm3+）掺杂的NaYF4纳米颗粒，利用光子雪崩原理，通过深穿透的近红外光进行远程操控，无需任何有线连接，使其能够在复杂的生物系统和纳米电机系统中实现动态和多功能操作。
基于光子雪崩的纳米尺度力传感器。图片来源：Nature
“这项工作源于近乎偶然的发现”，James Schuck解释道，“我们怀疑这些纳米颗粒对力非常敏感，于是尝试敲击颗粒并测量其发射特性。结果显示它们的敏感性远超预期！起初我们甚至怀疑结果是否可靠，探针是否受到了其他效应的干扰。然而，Natalie Fardian-Melamed（注：本文一作及共同通讯作者）进行了大量对照实验，最终证实这种极端灵敏性确实源于颗粒本身的力响应特性” [2]。这种稀土金属掺杂的NaYF4纳米颗粒是该团队的“明星材料”。早在2021年，他们首次在Tm3+掺杂的NaYF4纳米颗粒中观察到了光子雪崩现象，论文发表在Nature杂志上并被选为同期封面文章 [3]。
当期封面。图片来源：Nature [3]
所谓雪崩过程，通常是由一系列小扰动触发的连锁反应，而光子雪崩现象则是在材料受到光子激发时，由单个基态吸收引发激发态吸收的链式反应，最终产生更多的上转换光子。所谓“光子雪崩中，没有一颗光子是无辜的”。由于这一现象具有超高的非线性响应特性，在近红外超分辨成像和低阈值、高稳定性光学传感领域有着广阔的应用前景。
Tm3+掺杂纳米晶中的光子雪崩机理。图片来源：Nature [3]
研究者通过对单个雪崩纳米颗粒施加作用力，测量其发射强度与激发光通量的关系，结果显示，当施加仅200 nN的力时，激发-发射曲线相较于未施加力的情况明显偏移。在雪崩区，该传感器对力的机械-光学响应极为灵敏，能够检测到最低约620 pN的力，噪声等效灵敏度（NES）可达480 pN Hz−1/2，检测范围可从数百pN到数百nN甚至μN。
单个雪崩纳米颗粒传感器的性质及响应范围。图片来源：Nature
此前的研究表明，Tm3+掺杂含量8%时，纳米颗粒表现出典型的光子雪崩响应，而当掺杂浓度降低至时，非线性效应大幅减弱，不再出现明显的光子雪崩。由于该现象依赖于镧系元素间的高效交叉弛豫，而这一过程受离子间距离、声子介导过程以及激发态吸收的影响。研究者推测，施加外力可能会增强这些过程，从而使掺杂量较低的纳米颗粒也能表现出光子雪崩效应。
为验证这一假设，研究者测试了Tm3+掺杂浓度从7%至4%的潜在雪崩纳米颗粒（pre-ANP）。实验证实了阈值的降低，当掺杂浓度为4.5%时，纳米颗粒在环境条件下仍表现出陡峭的激发-发射非线性特性，而当掺杂浓度降至4%时，则无法触发光子雪崩效应。并且，对单颗pre-ANP施加5 nN 和403 nN的作用力，反复循环75次后，发射信号非常稳定，具有良好的可重复性。
雪崩纳米颗粒的敏感性和循环性。图片来源：Nature
基于光子雪崩效应，研究者设计了一种力致变色纳米传感器，这种纳米颗粒能够根据施加的力改变其发光颜色。在受力作用下，3H4能级对应的相对发射强度增加，而3F3能级对应的发射强度减弱，总体发光强度随压力的增加而降低。因此，利用800 nm与700 nm发射强度比值的变化，可以精准测量施加的力。该传感器表现出显著的力学光学响应，能够在不到1分钟内检测单个位数纳牛顿的力，其检测灵敏度高达6.8 nN Hz−1/2。
力致变色纳米传感器。图片来源：Nature
“我们相信，这一发现将彻底提升光学力传感器的灵敏度和动态范围，并对从机器人技术、生物物理学、医学乃至太空旅行等领域产生颠覆性影响”，P. James Schuck 表示。Natalie Fardian-Melamed 也补充道，“这些传感器的独特之处，在于其无与伦比的多尺度传感能力，以及利用温和、生物相容且能深层穿透的红外光进行操作的特性，使我们有机会更深入地了解生物系统，以及其他微结构”[2]。
Infrared nanosensors of piconewton to micronewton forces
Natalie Fardian-Melamed, Artiom Skripka, Benedikt Ursprung, Changhwan Lee, Thomas P. Darlington, Ayelet Teitelboim, Xiao Qi, Maoji Wang, Jordan M. Gerton, Bruce E. Cohen, Emory M. Chan & P. James Schuck
Nature 2025, 637, 70-75. DOI: 10.1038/s41586-024-08221-2
参考文献：
[1] R. Mehlenbacher, et al., Nanomaterials for in vivo imaging of mechanical forces and electrical fields. Nat. Rev. Mater. 2018, 3, 17080. DOI: 10.1038/natrevmats.2017.80
[2] A Tour de Force: Columbia Engineers Discover New “All-optical” Nanoscale Sensors of Force
[3] C. Lee, et al., Giant nonlinear optical responses from photon-avalanching nanoparticles. Nature 2021, 589, 230-235. DOI: 10.1038/s41586-020-03092-9
（本文由小希供稿）
来源：X一MOL资讯
