纳米光纤检测游动细菌产生的飞牛顿量级力的艺术效果图。

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程师们开发出一种微型装置，足以感受游动细菌产生的力量，还能听到心肌细胞的跳动。

该器件是一种纳米尺寸的光纤，比人类头发细约100倍。当被置于包含活性细菌幽门螺杆菌（一种肠道菌）溶液中时，它可以检测到低于160飞牛顿的力，比1牛顿小约10万亿倍。在从小鼠心跳肌肉细胞的培养物中，纳米光纤可以检测到30分贝以下的声音，这个水平比人耳极限低一千倍。

负责研究的加州大学圣地亚哥分校雅各布工学院的纳米工程教授Donald Sirbuly说：“这项工作为追踪小型相互作用和变化开辟了新的大门。”他设想的一些应用包括检测单个细菌的存在和活性；监测化学键形成和破裂；感测细胞的机械行为的变化（包括细胞癌变或被病毒攻击）；或迷你听诊器来监测体内的细胞声学。

这项工作于5月15日在Nature Photonics发表。

由Sirbuly及其同事开发的光纤比原子力显微镜（AFM）灵敏度高至少10倍以上，这是一种可以测量微乎其微的相互作用分子力的仪器。AFM是庞大的仪器，而这种光纤直径却只有几百纳米。“这是一个迷你版AFM，具有光学镊子的灵敏度，”Sirbuly说。

该设备由极薄的二氧化锡光纤制成，涂覆有称为聚乙二醇的聚乙烯薄层，并嵌有金纳米颗粒。为了使用该器件，研究人员将纳米光纤浸入细胞溶液中，向光纤注入光束并分析其输出的光信号。根据这些信号的强度，判断光纤从周围的细胞拾取多少力或声音。

Sirbuly说：“我们不仅仅能够收集这些微弱的力量和声音，我们可以使用这种设备量化它们，这是高分辨率纳米机械探测的新工具。”

以下是仪器设备的工作原理：当光线沿着光纤传播时，它与金纳米粒子产生强烈的相互作用，然后将金属纳米粒子作为可以用传统显微镜观察到的信号进行散射。这些光信号以特定的强度出现。但当纤维置于含有活细胞的溶液中时，该强度发生变化。来自细胞的力和声波撞击金纳米颗粒，将它们推入聚合物层，将它们与光纤表面分离。将纳米颗粒推到更接近光纤的位置，使得它们能够与光纤注入光更强地相互作用，从而增加光信号的强度。研究人员对仪器设备进行了校准，使其可以将信号强度与不同的力或声音水平相匹配。

做这项工作的关键是光纤的聚合物层。它的作用就像一个足够灵敏的弹簧床垫，被细胞产生的微弱力和声波压缩到不同的厚度。 而Sirbuly说聚合物层可以调整 ——如果研究人员想要测量更大的力量，他们可以使用更硬的聚合物涂层；为了提高灵敏度，它们可以使用像水凝胶一样的较软的聚合物。

未来，研究人员计划使用纳米光纤来测量单细胞的生物活性和机械行为。未来的工作还包括改善光纤的“听觉”能力，以开发超灵敏的生物听诊器，并调整其声学感应以发展新的成像技术。

来源： https://phys.org/news/2017-05-nano-fiber-cells.html

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