团队提议微打印纤维尖端聚合物夹持光束探针用于高灵敏度纳米力测量

在显微操作、材料科学以及生物和医学应用中，经常可以看到对小物体所宣称的力的控制和测量。研究人员首次提出了一种用于生物样品检测的新型纤维尖端聚合物夹束探针微力传感器的微打印。这种方法为实现小尺寸原子力显微镜开辟了新的途径，所提出的传感器在检测生物样品和材料的机械性能方面具有很大的应用前景。

由于设备小型化的趋势，显微操作一直是过去二十年来的热门话题。与宏观世界不同，如果接触力，微观物体很容易损坏没有被准确地检测和控制。例如，在医疗心脏导管插入术中，如果医生不知道在介入过程中导管与血管壁之间的确切接触力，则可能会损坏脆弱的血管网络，从而导致严重后果。然而，由于机械反馈机制和有源组件，缩小纳米机械传感器的尺寸并提高力分辨率仍然具有挑战性。开发紧凑型全纤维微力传感器可以开启无数功能，包括实时细胞内监测、微创探测和高分辨率检测。

在LightScience&Applications发表的一篇新论文中，深圳大学王一平教授及其研究团队提出了一种新型纤维尖端聚合物夹束探针微力传感器的微印技术，用于检测生物样品。所提出的传感器由两个底座、一个夹紧梁和一个力传感探头组成，它们是使用飞秒激光诱导的双光子聚合技术开发的。这种微型全纤维微力传感器具有1.51nm/μN的超高力灵敏度、54.9nN的检测限和2.9mN的明确传感器测量范围。使用所提出的传感器成功测量了聚二甲基硅氧烷、蝴蝶触角和人类头发的杨氏模量。这种方法为实现小尺寸原子力显微镜开辟了新的途径，可以很容易地适应外部专业实验室的使用。该设备将有利于高精度生物医学和材料科学检查，以及所提出的制造方法为下一代复杂纤维集成聚合物器件的研究提供了新途径。

a当力从0增加到2700nN时，传感器反射光谱的演变，如箭头所示。b浸入波长与力的关系。直线为测量数据点的线性拟合，误差线是通过严格重复测力实验3次得到的。c基于有限元法的变形分布模拟结果。图片来源：邹梦强、廖昌瑞、刘沉、熊聪、赵聪、赵金来、干宗松、陈艳平、杨开明、刘丹、王颖、王一平

利用结构相关力学，该团队开发了一种紧凑型全纤维微力传感器，用于检查生物样品。在该传感器中，夹紧梁、支撑座和力敏探头使用TPP3D微打印方法打印在光纤端面上。采用有限元法(FEM)对传感器结构进行优化，并对其静态特性进行分析。引入光纤端面和夹紧光束定义了法布里-珀罗干涉仪(FPI)。当外力施加在探头上时，探头会偏转夹紧的梁，从而调节FPI的长度。这种方法利用夹紧梁结构的低刚度和高回弹力，使其在施加很小的力时能够产生足够的变形，

然后，该团队在任何传感应用之前进行了微力传感测量。当力逐渐施加到夹紧梁探头时，微力传感器的反射光谱被实时监测。结果显示倾角波长发生蓝移，通过使用倾角波长变化的线性拟合计算传感器的力灵敏度为-1.51nm/μN，比之前报道的高两个数量级基于气球状干涉仪的光纤力传感器。因此，所施加的力与传感器输出之间的关系被量化。此外，微力传感器的检测下限为54.9nN，明确的传感器测量范围为2.9mN。

在最后阶段，在系统完全校准后，提议的传感器成功测量了PDMS、蝴蝶触角和人的头发。使用AFM验证结果。据信，该光纤传感器在迄今为止报道的直接接触模式下具有最小的力检测极限。该传感器具有高力灵敏度、超小检测限、微米级测量、易封装、全介电设计、生物相容性和全纤维操作等优点，在检测生物样品和材料力学性能方面具有广阔的应用前景。.

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