新納米級(jí)光纖應(yīng)力傳感器：用于分子和細(xì)胞水平機(jī)械探測(cè)

大多數(shù)生物過(guò)程的基礎(chǔ)是獨(dú)特的納米生物力學(xué)事件，有助于驅(qū)動(dòng)反應(yīng)和指導(dǎo)化學(xué)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(huán)境響應(yīng)和維持生命的復(fù)雜部分。隨著超靈敏納米應(yīng)力儀器的不斷發(fā)展，在體外甚至體內(nèi)觀察，測(cè)量和操縱這些作用力額過(guò)程一直是一個(gè)持續(xù)目標(biāo)，以便更全面地了解生物力學(xué)現(xiàn)象。

圖1 NOFT系統(tǒng)概述。a，胡克定律可用于模擬NOFT平臺(tái)的響應(yīng)。隨著薄膜的壓縮，聚合物包層的彈簧常數(shù)以及NP的散射強(qiáng)度增加。b，制備NOFT裝置的總體工作流程：SnO2波導(dǎo)合成；可壓縮聚合物移植物的產(chǎn)生；金納米顆粒的附著；遠(yuǎn)場(chǎng)成像，數(shù)據(jù)采集和分析

目前，有可能獲得從單個(gè)分子到更大的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和組織的實(shí)時(shí)信息。然而，由于力反饋機(jī)制和有源元件，縮小納米機(jī)械傳感器的尺寸仍然具有挑戰(zhàn)性。具有緊湊的力傳感器可以使很多測(cè)量得到實(shí)現(xiàn)，包括細(xì)胞內(nèi)監(jiān)測(cè)，微創(chuàng)探測(cè)和高分辨率檢測(cè)。理想情況下，傳感器足夠小以使炎癥反應(yīng)最小化，同時(shí)具有高分辨率和同時(shí)跟蹤多個(gè)力學(xué)事件的能力。和尺寸同樣重要的是以不同模式操作并檢測(cè)各種類型的納米力特征的能力。例如，在直接接觸模式下，傳感器將能夠感應(yīng)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(cè)諸如源自體積變化或移動(dòng)質(zhì)量的聲波之類的信號(hào)。為此，必須將傳感器設(shè)計(jì)成與聲波相互作用并產(chǎn)生高于噪聲水平的可檢測(cè)信號(hào)。這些新型超靈敏力傳感器的實(shí)現(xiàn)需要新方法和創(chuàng)新工程。目前需要開(kāi)發(fā)具有高空間分辨率和力分辨率以及能夠在各種生物環(huán)境中操作的超靈敏納米機(jī)械儀器。

圖2 用于檢測(cè)納米機(jī)械信號(hào)的NOFT操作。a，設(shè)置為檢測(cè)力學(xué)或聲學(xué)特征時(shí)的NOFT系統(tǒng)的一般示意圖。聲信號(hào)的數(shù)據(jù)處理包括收集的散射信號(hào)的傅立葉變換（FT）。b，在平均信號(hào)(方差系數(shù))上散射信號(hào)與存在或不存在細(xì)菌的NOTF裝置的平均散射信號(hào)之比。c，來(lái)自存在和不存在心肌細(xì)胞的NOFT裝置的光散射信號(hào)的FT

近日，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥大學(xué)的科學(xué)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(xué)應(yīng)力傳感器（NOFT），為探索生物分子系統(tǒng)內(nèi)的復(fù)雜力學(xué)現(xiàn)象鋪平了道路。NOFT平臺(tái)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(guò)跟蹤NP與光纖的近場(chǎng)相互作用時(shí)的光學(xué)散射來(lái)量化NP的埃級(jí)運(yùn)動(dòng)。一旦可壓縮包層的力學(xué)性能完全表征，可以將距離相關(guān)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為力。在該協(xié)議中，描述了NOFT系統(tǒng)的合成，表征和校準(zhǔn)的細(xì)節(jié)。從納米纖維光學(xué)器件的合成到獲取納米應(yīng)力數(shù)據(jù)的總體協(xié)議需要72小時(shí)。相關(guān)內(nèi)容以《Nanoscale fiber-optic force sensors for mechanical probing at themolecular and cellular level》為題，發(fā)表在《Nature Protocols》雜志上。

圖3 近場(chǎng)散射和金納米粒子的附著。a，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示單個(gè)金納米粒子的歸一化散射強(qiáng)度與使用自組裝聚電解質(zhì)層的WG-NP分離。b，上圖：在SnO2納米纖維上沉積后附著的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納米纖維上沉積后的TEM圖像