De controle en meting van beweerde krachten op kleine objecten wordt vaak gezien in micromanipulatie, materiaalwetenschap en biologische en medische toepassingen. Onderzoekers in China hebben voor het eerst de microprint voorgesteld van een nieuwe micro-krachtsensor met vezelpunt-polymeer geklemde straalsonde voor het onderzoek van biologische monsters. Deze benadering opent nieuwe wegen naar de realisatie van AFM’s met een kleine voetafdruk, en de voorgestelde sensor heeft geweldige toepassingsmogelijkheden voor het onderzoeken van biologische monsters en de mechanische eigenschappen van materialen.
Vanwege de trend van miniaturisering van apparaten, is micromanipulatie de afgelopen twee decennia een hot topic geweest. In tegenstelling tot de macrowereld kan een micro-object gemakkelijk worden beschadigd als de contactkracht niet nauwkeurig wordt gedetecteerd en gecontroleerd. Als artsen bij medische hartkatheterisatie bijvoorbeeld de exacte contactkracht tussen de katheters en de bloedvatwanden niet kennen tijdens een interventionele procedure, kunnen de delicate bloedvatennetwerken worden beschadigd, met ernstige gevolgen als gevolg. Het blijft echter een uitdaging om de grootte van de nanomechanische sensor te verkleinen en de krachtresolutie te verhogen vanwege mechanische feedbackmechanismen en actieve componenten. De ontwikkeling van een compacte, volledig vezelige microkrachtsensor kan talloze mogelijkheden bieden, waaronder realtime intracellulaire bewaking, minimaal invasieve sonderen en detectie met hoge resolutie.
In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap & toepassingen, Professor Yiping Wang van de Universiteit van Shenzhen en zijn onderzoeksteam hebben de microprinting voorgesteld van een nieuwe micro-krachtsensor met geklemde straalsonde van fiber-tip-polymeer voor het onderzoek van biologische monsters. De voorgestelde sensor bestaat uit twee bases, een geklemde bundel en een krachtgevoelige sonde, die zijn ontwikkeld met behulp van een femtoseconde-laser-geïnduceerde twee-fotonpolymerisatietechniek. Een miniatuur all-fiber microkrachtsensor van dit type vertoonde een ultrahoge krachtgevoeligheid van 1,51 nm/μN, een detectielimiet van 54,9 nN en een eenduidig sensormeetbereik van 2,9 mN. De Young’s modulus van polydimethylsiloxaan, een vlindervoeler en mensenhaar werden met succes gemeten met de voorgestelde sensor. Deze aanpak opent nieuwe wegen naar de realisatie van AFM’s met een kleine voetafdruk die gemakkelijk kunnen worden aangepast voor gebruik in externe gespecialiseerde laboratoria. Dit apparaat zal gunstig zijn voor zeer nauwkeurig biomedisch en materiaalwetenschappelijk onderzoek, en de voorgestelde fabricagemethode biedt een nieuwe route voor de volgende generatie van onderzoek naar complexe vezelgeïntegreerde polymeerapparaten.
Met behulp van de structuurgecorreleerde mechanica ontwikkelde het team een compacte, volledig vezelige microkrachtsensor voor het onderzoek van biologische monsters. In deze sensor werden de geklemde balk, de steunbases en de krachtgevoelige sonde op het uiteinde van de optische vezel afgedrukt met behulp van de TPP 3D-microprintmethode. De structuur van de sensor werd geoptimaliseerd met behulp van de eindige-elementenmethode (FEM) en de statische karakteristiek ervan werd geanalyseerd. Het oppervlak van het inkomende vezeluiteinde en de ingeklemde balk definiëren een Fabry-Perot-interferometer (FPI). Wanneer een externe kracht op de sonde wordt uitgeoefend, buigt de sonde de ingeklemde straal af, die de lengte van de FPI moduleert. Deze methode maakt gebruik van de lage stijfheid en hoge veerkracht van de structuur van de ingeklemde balk, maakt het mogelijk om voldoende te vervormen wanneer een kleine kracht wordt uitgeoefend, en verbetert dus zowel de krachtresolutie als het detectiebereik van de sensor.
Het team voerde vervolgens microforce-sensing-metingen uit voordat de sensing-applicaties werden toegepast. Toen geleidelijk kracht werd uitgeoefend op de sonde met geklemde bundel, werd het reflectiespectrum van de microkrachtsensor in realtime gevolgd. De resultaten toonden een blauwe verschuiving in de dipgolflengte en de krachtgevoeligheid van de sensor werd berekend op -1,51 nm/μN door gebruik te maken van een lineaire aanpassing van de dipgolflengteverandering, die twee ordes van grootte hoger is dan die van de eerder gerapporteerde glasvezel-krachtsensor op basis van een ballonachtige interferometer. Zo werd de relatie tussen de uitgeoefende kracht en de output van de sensor gekwantificeerd. Daarnaast heeft de microkrachtsensor een detectielimiet van 54,9 nN en een eenduidig sensormeetbereik van 2,9 mN.
In de laatste fase, nadat het systeem volledig was gekalibreerd, heeft de voorgestelde sensor met succes PDMS, een vlindervoeler en mensenhaar gemeten. Resultaten werden geverifieerd met behulp van een AFM. Er wordt aangenomen dat deze vezelsensor de kleinste krachtdetectielimiet heeft in de directe contactmodus die tot nu toe is gerapporteerd. Met zijn hoge krachtgevoeligheid, ultrakleine detectielimiet, micrometerschaalmeting, eenvoudige verpakking, volledig diëlektrisch ontwerp, biocompatibiliteit en volledig vezelige werking, heeft de voorgestelde sensor geweldige toepassingsmogelijkheden voor het onderzoeken van biologische monsters en de mechanische eigenschappen van materialen .
Mengqiang Zou et al, Fiber-tip polymeer geklemde bundelsonde voor zeer gevoelige nanoforce-metingen, Licht: wetenschap en toepassingen (2021). DOI: 10.1038/s41377-021-00611-9
Licht: wetenschap en toepassingen
Geleverd door de Chinese Academie van Wetenschappen