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新型纳米级光纤应力传感器:用于分子和细胞水平机械探测

导读: 随着超灵敏纳米应力仪器的不断发展,在体外甚至体内观察,测量和操纵这些作用力额过程一直是一个持续目标,以便更全面地了解生物力学现象。

大多数生物过程的基础是独特的纳米生物力学事件,有助于驱动反应和指导化学途径。这些小的作用力线索可能很微妙且难以跟踪,但它们是环境响应和维持生命的复杂部分。随着超灵敏纳米应力仪器的不断发展,在体外甚至体内观察,测量和操纵这些作用力额过程一直是一个持续目标,以便更全面地了解生物力学现象。

新型纳米级光纤应力传感器:用于分子和细胞水平机械探测

图1 NOFT系统概述。a,胡克定律可用于模拟NOFT平台的响应。随着薄膜的压缩,聚合物包层的弹簧常数以及NP的散射强度增加。b,制备NOFT装置的总体工作流程:SnO2波导合成;可压缩聚合物移植物的产生;金纳米颗粒的附着;远场成像,数据采集和分析

目前,有可能获得从单个分子到更大的细胞结构和组织的实时信息。然而,由于力反馈机制和有源元件,缩小纳米机械传感器的尺寸仍然具有挑战性。具有紧凑的力传感器可以使很多测量得到实现,包括细胞内监测,微创探测和高分辨率检测。理想情况下,传感器足够小以使炎症反应最小化,同时具有高分辨率和同时跟踪多个力学事件的能力。和尺寸同样重要的是以不同模式操作并检测各种类型的纳米力特征的能力。例如,在直接接触模式下,传感器将能够感应作用在其上的微力,但是,具有非接触模式也是有利的,其中传感器检测诸如源自体积变化或移动质量的声波之类的信号。为此,必须将传感器设计成与声波相互作用并产生高于噪声水平的可检测信号。这些新型超灵敏力传感器的实现需要新方法和创新工程。目前需要开发具有高空间分辨率和力分辨率以及能够在各种生物环境中操作的超灵敏纳米机械仪器。

新型纳米级光纤应力传感器:用于分子和细胞水平机械探测

图2 用于检测纳米机械信号的NOFT操作。a,设置为检测力学或声学特征时的NOFT系统的一般示意图。声信号的数据处理包括收集的散射信号的傅立叶变换(FT)。b,在平均信号(方差系数)上散射信号与存在或不存在细菌的NOTF装置的平均散射信号之比。c,来自存在和不存在心肌细胞的NOFT装置的光散射信号的FT

近日,加利福尼亚大学圣地亚哥大学的科学家提出一种具有亚皮牛顿力灵敏度和纳米尺度的紧凑型纳米纤维光学应力传感器(NOFT),为探索生物分子系统内的复杂力学现象铺平了道路。NOFT平台包括SnO2纳米纤维光纤,其配备有填充有等离子体纳米粒子(NPs)的薄、可压缩聚合物包层。这种组合允许通过跟踪NP与光纤的近场相互作用时的光学散射来量化NP的埃级运动。一旦可压缩包层的力学性能完全表征,可以将距离相关的光信号转换为力。在该协议中,描述了NOFT系统的合成,表征和校准的细节。从纳米纤维光学器件的合成到获取纳米应力数据的总体协议需要72小时。相关内容以《Nanoscale fiber-optic force sensors for mechanical probing at themolecular and cellular level》为题,发表在《Nature Protocols》杂志上。

新型纳米级光纤应力传感器:用于分子和细胞水平机械探测

图3 近场散射和金纳米粒子的附着。a,实验数据显示单个金纳米粒子的归一化散射强度与使用自组装聚电解质层的WG-NP分离。b,上图:在SnO2纳米纤维上沉积后附着的NP参考和透射电子显微镜(TEM)图像的示意图。下图:NP传感器附着的示意图和在SnO2纳米纤维上沉积后的TEM图像

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