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可感知由細(xì)胞發(fā)出的力和聲音的納米光纖  這種裝置是一種納米尺寸的光纖，比人的頭發(fā)要細(xì)100倍。放置在一個(gè)包含活的幽門螺桿菌菌液中，它可以檢測(cè)力的尺度小到160 飛秒牛頓，約十億倍小于牛頓單位，前者的這種游動(dòng)細(xì)菌是在腸道中發(fā)現(xiàn)的。在小鼠跳動(dòng)的心臟肌肉細(xì)胞環(huán)境下，納米纖維可以檢測(cè)到的聲音水平降到 -30 分貝水平，這要一千倍低于人耳的聽覺極限。 “這項(xiàng)工作能開辟一種新的途徑用于跟蹤小的相互作用和其中的變化，而這在之前是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，”Donald Sirbuly說，他是加州大學(xué)圣地亞哥雅可布學(xué)院納米工程專業(yè)的教授，并領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。 一些應(yīng)用程序，他設(shè)想，包括檢測(cè)單個(gè)細(xì)菌的存在和活動(dòng)；監(jiān)測(cè)鍵的形成和斷裂；感知細(xì)胞力學(xué)行為上的變化，或可以表明細(xì)胞是否發(fā)生癌變或被病毒攻擊；或用于迷你聽診器進(jìn)行體內(nèi)細(xì)胞的聲學(xué)監(jiān)測(cè)。 這項(xiàng)研究工作已經(jīng)發(fā)表在近期的《自然光子》雜志上。 由Sirbuly和他的同事們研究開發(fā)的這種光纖，至少相比原子力顯微鏡（AFM）敏感度提高了十倍，后者是一種儀器，可以測(cè)量分子產(chǎn)生時(shí)相互作用的非常小的力。而且原子力顯微鏡是一種特別笨重的設(shè)備，而該光纖直徑僅為幾百納米。“這是一個(gè)具有光鑷的敏感性的微型原子力顯微鏡，”Sirbuly說。 該裝置是由一層極薄的氧化錫纖維制成，上面涂有一層薄薄的聚合物，稱為聚乙二醇，并鑲嵌有金納米粒子。為了使用該裝置，研究人員將納米光纖浸在細(xì)胞溶液中，將光線傳給光纖，并分析發(fā)出的光信號(hào)。這些信號(hào)，根據(jù)它們的強(qiáng)度，表明多少力量或聲音是纖維周圍的細(xì)胞中回升過來(lái)的。 “我們不只是能夠搜集這些小的力量和聲音，我們可以通過這種設(shè)備進(jìn)行量化。這是一種新的高分辨率納米力學(xué)探測(cè)工具，”Sirbuly說。 這種裝置的工作原理是：當(dāng)光沿著光纖傳播時(shí)，它與金納米顆粒相互作用強(qiáng)烈，然后將光散射成可以用常規(guī)顯微鏡觀察到的信號(hào)。這些光信號(hào)以特定的強(qiáng)度顯示出來(lái)。但是，當(dāng)纖維置于含有活細(xì)胞的溶液中時(shí)，這種強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化。 來(lái)自細(xì)胞的力和聲波撞擊了金納米粒子，將它們推到聚合物層中，并且將它們從纖維表面分離出來(lái)。使納米顆粒更接近光纖，使它們能夠更強(qiáng)烈地與光纖的光相互作用，從而增加光信號(hào)的強(qiáng)度。研究人員校準(zhǔn)設(shè)備，使他們能夠匹配信號(hào)強(qiáng)度不同程度的力或聲音。 使這項(xiàng)工作的關(guān)鍵是纖維的聚合物層。它的作用就像一個(gè)彈簧床墊，其足夠敏感，可以被細(xì)胞產(chǎn)生的微弱的力量和聲波壓縮到不同的厚度。Sirbuly說，聚合物層可以調(diào)整，如果研究人員想測(cè)量更大的力量，他們可以使用較硬的聚合物涂層；若增加的敏感性，他們可以用一個(gè)柔軟的聚合物水凝膠。 這種技術(shù)正繼續(xù)向前發(fā)展，研究人員計(jì)劃使用納米纖維來(lái)測(cè)量生物活性和單細(xì)胞的力學(xué)行為。未來(lái)的工作還包括提高纖維的“聽覺”功能，創(chuàng)建超靈敏生物聽診器，并調(diào)整其開發(fā)新的成像技術(shù)的聲學(xué)響應(yīng)。 原文來(lái)源：https://phys.org/news/2017-05-nano-fiber-cells.html，實(shí)驗(yàn)幫譯。 |
