新型納米級光纖應力傳感器

2020-11-26 電子發燒友

新型納米級光纖應力傳感器

發表於 2019-01-01 07:49:00

大多數生物過程的基礎是獨特的納米生物力學事件，有助於驅動反應和指導化學途徑。這些小的作用力線索可能很微妙且難以跟蹤，但它們是環境響應和維持生命的複雜部分。隨著超靈敏納米應力儀器的不斷發展，在體外甚至體內觀察，測量和操縱這些作用力額過程一直是一個持續目標，以便更全面地了解生物力學現象。

圖1 NOFT系統概述。a，胡克定律可用於模擬NOFT平臺的響應。隨著薄膜的壓縮，聚合物包層的彈簧常數以及NP的散射強度增加。b，製備NOFT裝置的總體工作流程：SnO2波導合成；可壓縮聚合物移植物的產生；金納米顆粒的附著；遠場成像，數據採集和分析

目前，有可能獲得從單個分子到更大的細胞結構和組織的實時信息。然而，由於力反饋機制和有源元件，縮小納米機械傳感器的尺寸仍然具有挑戰性。具有緊湊的力傳感器可以使很多測量得到實現，包括細胞內監測，微創探測和高解析度檢測。理想情況下，傳感器足夠小以使炎症反應最小化，同時具有高解析度和同時跟蹤多個力學事件的能力。和尺寸同樣重要的是以不同模式操作並檢測各種類型的納米力特徵的能力。例如，在直接接觸模式下，傳感器將能夠感應作用在其上的微力，但是，具有非接觸模式也是有利的，其中傳感器檢測諸如源自體積變化或移動質量的聲波之類的信號。為此，必須將傳感器設計成與聲波相互作用並產生高於噪聲水平的可檢測信號。這些新型超靈敏力傳感器的實現需要新方法和創新工程。目前需要開發具有高空間解析度和力解析度以及能夠在各種生物環境中操作的超靈敏納米機械儀器。

圖2 用於檢測納米機械信號的NOFT操作。a，設置為檢測力學或聲學特徵時的NOFT系統的一般示意圖。聲信號的數據處理包括收集的散射信號的傅立葉變換（FT）。b，在平均信號(方差係數)上散射信號與存在或不存在細菌的NOTF裝置的平均散射信號之比。c，來自存在和不存在心肌細胞的NOFT裝置的光散射信號的FT

近日，加利福尼亞大學聖地牙哥大學的科學家提出一種具有亞皮牛頓力靈敏度和納米尺度的緊湊型納米纖維光學應力傳感器（NOFT），為探索生物分子系統內的複雜力學現象鋪平了道路。NOFT平臺包括SnO2納米纖維光纖，其配備有填充有等離子體納米粒子(NPs)的薄、可壓縮聚合物包層。這種組合允許通過跟蹤NP與光纖的近場相互作用時的光學散射來量化NP的埃級運動。一旦可壓縮包層的力學性能完全表徵，可以將距離相關的光信號轉換為力。在該協議中，描述了NOFT系統的合成，表徵和校準的細節。從納米纖維光學器件的合成到獲取納米應力數據的總體協議需要72小時。相關內容以《Nanoscale fiber-optic force sensors for mechanical probing at themolecular and cellular level》為題，發表在《Nature Protocols》雜誌上。

圖3 近場散射和金納米粒子的附著。a，實驗數據顯示單個金納米粒子的歸一化散射強度與使用自組裝聚電解質層的WG-NP分離。b，上圖：在SnO2納米纖維上沉積後附著的NP參考和透射電子顯微鏡（TEM）圖像的示意圖。下圖：NP傳感器附著的示意圖和在SnO2納米纖維上沉積後的TEM圖像

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