Ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben een miniatuurapparaat ontwikkeld dat gevoelig genoeg is om de krachten te voelen die worden gegenereerd door zwemmende bacteriën en het kloppen van hartspiercellen te horen.

Het apparaat is een optische vezel van nanoformaat die ongeveer 100 keer dunner is dan een mensenhaar. Het kan krachten tot 160 femtonewton detecteren - ongeveer tien biljoen keer kleiner dan een newton - wanneer het in een oplossing wordt geplaatst die levende Helicobacter pylori-bacteriën bevat, dat zijn zwembacteriën die in de darm worden aangetroffen. In culturen van kloppende hartspiercellen van muizen, de nanovezel kan geluiden detecteren tot -30 decibel - een niveau dat duizend keer onder de limiet van het menselijk oor ligt.

"Dit werk zou nieuwe deuren kunnen openen om kleine interacties en veranderingen te volgen die voorheen niet konden worden gevolgd, " zei professor nano-engineering Donald Sirbuly aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering, die de studie leidde.

Sommige toepassingen, hij stelt zich voor, omvatten het detecteren van de aanwezigheid en activiteit van een enkele bacterie; toezicht houden op vorming en verbreking van bindingen; veranderingen in het mechanische gedrag van een cel waarnemen die erop kunnen wijzen dat deze kanker wordt of wordt aangevallen door een virus; of een ministethoscoop om de cellulaire akoestiek in vivo te bewaken.

Het werk is gepubliceerd in Natuurfotonica op 15 mei.

De door Sirbuly en collega's ontwikkelde optische vezel is minstens 10 keer gevoeliger dan de atomic force microscope (AFM), een instrument dat oneindig kleine krachten kan meten die worden gegenereerd door op elkaar inwerkende moleculen. En hoewel AFM's omvangrijke apparaten zijn, deze optische vezel heeft een diameter van slechts enkele honderden nanometers. "Het is een mini-AFM met de gevoeligheid van een optische pincet, ' zei Sirbuly.

Het apparaat is gemaakt van een extreem dunne vezel van tindioxide, bedekt met een dunne laag van een polymeer, genaamd polyethyleenglycol, en bezaaid met gouden nanodeeltjes. Om het apparaat te gebruiken, onderzoekers dopen de nano-optische vezel in een oplossing van cellen, stuur een lichtstraal door de vezel en analyseer de lichtsignalen die het uitzendt. Deze signalen, op basis van hun intensiteit, geven aan hoeveel kracht of geluid de vezel opneemt van de omringende cellen.

"We zijn niet alleen in staat om deze kleine krachten en geluiden op te pikken, we kunnen ze kwantificeren met dit apparaat. Dit is een nieuwe tool voor nanomechanische sonderen met hoge resolutie, ' zei Sirbuly.

Dit is hoe het apparaat werkt:terwijl licht door de optische vezel reist, het interageert sterk met de gouden nanodeeltjes, die vervolgens het licht verstrooien als signalen die kunnen worden gezien met een conventionele microscoop. Deze lichtsignalen verschijnen met een bepaalde intensiteit. Maar die intensiteit verandert wanneer de vezel in een oplossing met levende cellen wordt geplaatst. Krachten en geluidsgolven van de cellen raken de gouden nanodeeltjes, ze in de polymeerlaag duwen die ze van het vezeloppervlak scheidt. Door de nanodeeltjes dichter bij de vezel te duwen, kunnen ze sterker interageren met het licht dat door de vezel valt, waardoor de intensiteit van de lichtsignalen wordt verhoogd. Onderzoekers hebben het apparaat gekalibreerd zodat ze de signaalintensiteiten konden afstemmen op verschillende niveaus van kracht of geluid.

De sleutel om dit te laten werken is de polymeerlaag van de vezel. Het werkt als een verenmatras dat gevoelig genoeg is om tot verschillende diktes te worden samengedrukt door de zwakke krachten en geluidsgolven die door de cellen worden geproduceerd. En Sirbuly zegt dat de polymeerlaag kan worden afgesteld - als onderzoekers grotere krachten willen meten, ze kunnen een stijvere polymeercoating gebruiken; voor verhoogde gevoeligheid, ze kunnen een zachter polymeer gebruiken zoals een hydrogel.

Vooruit gaan, onderzoekers zijn van plan de nanovezels te gebruiken om de bio-activiteit en het mechanische gedrag van afzonderlijke cellen te meten. Toekomstige werkzaamheden omvatten ook het verbeteren van de "luistermogelijkheden" van de vezels om ultragevoelige biologische stethoscopen te maken, en het afstemmen van hun akoestische respons om nieuwe beeldvormingstechnieken te ontwikkelen.