光将微小晶体转变为力传感器

两项研究表明，嵌入发光离子的纳米晶体所发出的光可用于以高空间分辨率感知力——即便这些力存在于微小的活体线虫体内也是如此。 

测量生物体内作用力对于理解驱动其内部过程的因素至关重要，但这项任务绝非易事。它需要对在多种长度尺度上起作用的大范围的力进行遥感探测，而现有的探针无法实现这一点。不过，本期的两篇论文表明，发光纳米颗粒能够填补这一空白。在《自然》杂志的一篇论文中，法尔迪安-梅拉梅德等人利用一种被称为光子雪崩的现象，以纳米级空间分辨率测量了从皮牛到微牛范围的力。在《自然》杂志的另一篇论文中，卡萨尔等人运用一种相关的纳米颗粒技术，测量了秀丽隐杆线虫咬食时的咬合力。

如果发光分子或纳米颗粒的发射光谱受到某些变化（如温度、压力或化学环境的改变）的影响，那么它们所发出的光就可用于遥感探测。一个很好的例子就是嵌入（掺杂）了发光镧系离子的纳米晶体。这些体系是出色的光学传感器，因为当它们的温度或化学环境发生变化时，其光谱中谱线的相对强度会发生改变。现在发现，这些纳米晶体还可用于感知力的细微变化。

一种方法依赖于光子雪崩现象，即当一个受光激发的晶体产生一束光，且该光束的强度会随着激发光强度的微小增加而急剧增强：入射光会引发名副其实的光子雪崩。这一现象在40多年前就在大晶体中被发现了，但在2021年，科学家们意识到它也会出现在掺杂铥离子的氟化钇钠纳米晶体中。在这些晶体中，诸如温度变化或纳米晶体中的缺陷等微小扰动，会改变引发雪崩所需的能量大小。

法尔迪安-梅拉梅德等人表明，力也能产生同样的效果。作者们使用原子力显微镜（AFM）对掺杂的氟化钇钠纳米晶体施加力，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变化类型：雪崩位移，即引发雪崩所需的功率增加（图1a）；力致增亮，即产生的发射强度增加；以及力致变色，即发射光谱本身发生变化。通过这些研究，他们证明这些变化可用于测量从数百皮牛（1皮牛等于10⁻¹²牛）到10微牛的力。

图1 | 利用光感知力。a，法尔迪安-梅拉梅德等人表明，可以通过一种被称为光子雪崩的现象来感知力，当光激发晶体产生大量光子时就会出现这种现象。作者们将离子嵌入纳米晶体以产生这种效应，并发现了力影响输出的三种方式。其中一种（称为雪崩位移）是力会增加触发雪崩所需的功率，因而能够抑制发射光的爆发。b，卡萨尔等人研究了光激发嵌入离子的纳米晶体时出现的另一种效应，即入射红外光会诱导产生绿光和红光。作者们发现，施加力会改变绿/红强度的比值，他们利用这一点来测量秀丽隐杆线虫在含有纳米晶体的微球通过其咽部时的咬合力。

卡萨尔等人报道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钇钠纳米晶体，但作者们使用的不是掺杂铥离子，而是镧系元素铒和镱。当这些纳米晶体受到红外辐射激发时，两个镱离子会将它们吸收的能量转移给一个铒离子，使其跃迁至高度激发态，进而发射出绿光。该离子也可弛豫回较低能级并发射红光，所以绿光和红光均可被测量。卡萨尔等人表明，当施加力时，红光和绿光的强度比值会发生变化。

研究人员随后将他们的纳米晶体嵌入到与细菌大小相当的聚苯乙烯微球中，这样微球就能进入秀丽隐杆线虫的消化系统（图1b）。这些微球会经过一种被称为“研磨器”的齿状结构，在那里肌肉收缩使得有脊的角质层施加足以破坏细菌细胞壁的力。卡萨尔等人利用荧光显微镜记录纳米晶体的发射光谱，该显微镜以微米级空间分辨率监测随时间的变化。他们在记录到触发肌肉收缩的电信号后，立即观察到发射强度比值出现了持续的变化。由此变化，他们推断咬合力约为10微牛。论文扩展数据中的视频很好地展示了研磨器中的作用力情况。

通过直接测量发射强度比值的变化来测量力颇具挑战性，但卡萨尔及其同事的实验证明这是可行的。该方法可推广至更多的动物和系统，以深入了解其他依赖肌肉收缩的器官的功能。它甚至可用于评估治疗的效果——例如，心脏病治疗的效果。导致发射强度比值具有力敏感性的原因尚不清楚，还需要详细的研究。此类研究也有助于阐明为何卡萨尔及其同事的力校准测量结果会因作者是在单一方向还是在各个方向均匀施力而有所不同。

光子雪崩可用于对大范围的力进行遥感探测，但将这一技术应用于实际（如测量秀丽隐杆线虫施加的咬合力）目前仍力不能及。即便能原位实现雪崩现象，局部力的测量和校准也可能会受到诸如温度变化和材料缺陷等干扰因素的影响。而且，将单纳米晶体方法扩展到利用一组纳米晶体来探测力的过程也很复杂，因为即使是同一批次的纳米晶体，它们的响应方式也不尽相同。

为减轻这些外部扰动的影响，将力的感知与对其他因素（如温度）的独立测量相结合可能会有所帮助。卡萨尔及其同事将纳米晶体嵌入微球的做法也是一种巧妙的限制纳米晶体化学环境变化影响的方法，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现象仅四年后，针对这一惊人效应应用的研究就蓬勃发展起来了。在此期间，还设计出了许多新的纳米晶体，包括一些结合了不同镧系离子且呈现光子雪崩现象的纳米晶体。期待未来的研究如何在法尔迪安-梅拉梅德等人以及卡萨尔等人成果的基础上，实现利用光可靠地原位感知力，这将令人兴奋不已。