可感知由细胞发出的力和声音的纳米光纤

加州大学圣地亚哥分校的工程师们研制出一种微型仪器，能灵敏地感受到周围细菌游动时所产生的力，并能听到心脏肌肉细胞的跳动。

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    这种装置是一种纳米尺寸的光纤，比人的头发要细100倍。放置在一个包含活的幽门螺杆菌菌液中，它可以检测力的尺度小到160 飞秒牛顿，约十亿倍小于牛顿单位，前者的这种游动细菌是在肠道中发现的。在小鼠跳动的心脏肌肉细胞环境下，纳米纤维可以检测到的声音水平降到 -30 分贝水平，这要一千倍低于人耳的听觉极限。

    “这项工作能开辟一种新的途径用于跟踪小的相互作用和其中的变化，而这在之前是无法实现的，”Donald Sirbuly说，他是加州大学圣地亚哥雅可布学院纳米工程专业的教授，并领导了这项研究。

    一些应用程序，他设想，包括检测单个细菌的存在和活动；监测键的形成和断裂；感知细胞力学行为上的变化，或可以表明细胞是否发生癌变或被病毒攻击；或用于迷你听诊器进行体内细胞的声学监测。

    这项研究工作已经发表在近期的《自然光子》杂志上。

    由Sirbuly和他的同事们研究开发的这种光纤，至少相比原子力显微镜（AFM）敏感度提高了十倍，后者是一种仪器，可以测量分子产生时相互作用的非常小的力。而且原子力显微镜是一种特别笨重的设备，而该光纤直径仅为几百纳米。“这是一个具有光镊的敏感性的微型原子力显微镜，”Sirbuly说。

    该装置是由一层极薄的氧化锡纤维制成，上面涂有一层薄薄的聚合物，称为聚乙二醇，并镶嵌有金纳米粒子。为了使用该装置，研究人员将纳米光纤浸在细胞溶液中，将光线传给光纤，并分析发出的光信号。这些信号，根据它们的强度，表明多少力量或声音是纤维周围的细胞中回升过来的。

    “我们不只是能够搜集这些小的力量和声音，我们可以通过这种设备进行量化。这是一种新的高分辨率纳米力学探测工具，”Sirbuly说。

    这种装置的工作原理是：当光沿着光纤传播时，它与金纳米颗粒相互作用强烈，然后将光散射成可以用常规显微镜观察到的信号。这些光信号以特定的强度显示出来。但是，当纤维置于含有活细胞的溶液中时，这种强度会发生变化。

    来自细胞的力和声波撞击了金纳米粒子，将它们推到聚合物层中，并且将它们从纤维表面分离出来。使纳米颗粒更接近光纤，使它们能够更强烈地与光纤的光相互作用，从而增加光信号的强度。研究人员校准设备，使他们能够匹配信号强度不同程度的力或声音。

    使这项工作的关键是纤维的聚合物层。它的作用就像一个弹簧床垫，其足够敏感，可以被细胞产生的微弱的力量和声波压缩到不同的厚度。Sirbuly说，聚合物层可以调整，如果研究人员想测量更大的力量，他们可以使用较硬的聚合物涂层；若增加的敏感性，他们可以用一个柔软的聚合物水凝胶。

    这种技术正继续向前发展，研究人员计划使用纳米纤维来测量生物活性和单细胞的力学行为。未来的工作还包括提高纤维的“听觉”功能，创建超灵敏生物听诊器，并调整其开发新的成像技术的声学响应。

    原文来源：https://phys.org/news/2017-05-nano-fiber-cells.html，实验帮译。

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