Teamet foreslår mikroprintning af en fiber-spids polymer fastspændt strålesonde til højfølsomme nanokraftmålinger

Kontrol og måling af hævdede kræfter på små genstande ses ofte ved mikromanipulation, materiale videnskab, og biologiske og medicinske anvendelser. Forskere i Kina har for første gang foreslået mikrotrykning af en ny fiber-spids-polymer fastspændt-stråle-probe-mikrokraftsensor til undersøgelse af biologiske prøver. Denne tilgang åbner nye veje til realisering af AFM'er med lille fodaftryk, og den foreslåede sensor har store anvendelsesmuligheder til at undersøge biologiske prøver og materialers mekaniske egenskaber.

På grund af tendensen til miniaturisering af enheder, mikromanipulation har været et varmt emne i de sidste to årtier. I modsætning til makroverdenen, et mikroobjekt kan nemt blive beskadiget, hvis kontaktkraften ikke detekteres og kontrolleres nøjagtigt. For eksempel, ved medicinsk hjertekateterisering, hvis læger ikke kender den nøjagtige kontaktkraft mellem katetrene og blodkarvæggene under en interventionsprocedure, de sarte blodkarnetværk kan blive beskadiget, forårsager alvorlige konsekvenser. Imidlertid, det er fortsat udfordrende at nedskalere størrelsen af ​​den nanomekaniske sensor og øge kraftopløsningen på grund af mekaniske feedbackmekanismer og aktive komponenter. Udvikling af en kompakt helfiber, mikrokraftsensor kan åbne op for utallige muligheder, herunder intracellulær overvågning i realtid, minimalt invasiv sondering, og detektering i høj opløsning.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og applikationer, Professor Yiping Wang fra Shenzhen Universitet og hans forskerhold har foreslået mikroprintning af en ny fiber-spids-polymer fastspændt-stråle-probe-mikrokraftsensor til undersøgelse af biologiske prøver. Den foreslåede sensor består af to baser, en fastspændt bjælke, og en kraftfølende sonde, som blev udviklet ved hjælp af en femtosekund-laser-induceret to-foton polymerisationsteknik. En miniature helt fiber mikrokraftsensor af denne type udviste en ultrahøj kraftfølsomhed på 1,51 nm/μN, en detektionsgrænse på 54,9 nN, og et utvetydigt sensormåleområde på 2,9 mN. The Youngs modul af polydimethylsiloxan, en sommerfugleføler, og menneskehår blev målt med succes med den foreslåede sensor. Denne tilgang åbner nye veje til realisering af AFM'er med lille fodaftryk, der let kan tilpasses til brug i eksterne specialiserede laboratorier. Denne enhed vil være gavnlig til biomedicinsk og materialevidenskabelig undersøgelse med høj præcision, og den foreslåede fremstillingsmetode giver en ny rute for den næste generation af forskning i komplekse fiberintegrerede polymerenheder.

Ved at bruge den struktur-korrelerede mekanik, holdet udviklede en kompakt helfiber mikrokraftsensor til undersøgelse af biologiske prøver. I denne sensor, den fastspændte bjælke, støttebaserne, og den kraftfølende sonde blev printet på den optiske fiber-endeoverflade ved hjælp af TPP 3D-mikroprintmetode. Sensorens struktur blev optimeret ved hjælp af finite element-metoden (FEM), og dets statiske karakteristika blev analyseret. Den indføringsfiberende overflade og den fastspændte stråle definerer et Fabry-Perot-interferometer (FPI). Når en ekstern kraft udøves på sonden, sonden afbøjer den fastspændte stråle, som modulerer længden af ​​FPI. Denne metode udnytter den lave stivhed og høje elasticitet af strukturen af ​​den fastspændte bjælke, gør det muligt for den at deformeres nok, når der påføres en lille kraft, og dermed i høj grad forbedrer både kraftopløsning og detektionsområde for sensoren.

Holdet udførte derefter mikrokraftssensormålinger før eventuelle registreringsapplikationer. Når der gradvist blev påført kraft på den fastspændte bjælkesonde, reflektionsspektret af mikrokraftsensoren blev overvåget i realtid. Resultaterne viste et blåt skift i dip-bølgelængden, og sensorens kraftfølsomhed blev beregnet til -1,51 nm/μN ved at bruge en lineær tilpasning af dip-bølgelængdeændringen, som er to størrelsesordener højere end den tidligere rapporterede fiberoptiske kraftsensor baseret på et ballonlignende interferometer. Dermed, forholdet mellem den påførte kraft og udgangen af ​​sensoren blev kvantificeret. Ud over, mikrokraftsensoren har en detektionsgrænse på 54,9 nN, og et utvetydigt sensormåleområde på 2,9 mN.

I sidste fase, efter at systemet var fuldt kalibreret, den foreslåede sensor målte PDMS med succes, en sommerfugleføler og menneskehår. Resultaterne blev verificeret ved hjælp af en AFM. Det menes, at denne fibersensor har den mindste kraftdetekteringsgrænse i direkte kontakttilstand rapporteret til dato. Med sin høje kraftfølsomhed, ultra-lille detektionsgrænse, måling i mikrometerskala, nem indpakning, helt dielektrisk design, biokompatibilitet, og fiberoperation, den foreslåede sensor har store anvendelsesmuligheder til undersøgelse af biologiske prøver og materialers mekaniske egenskaber.