De controle en meting van uitgeoefende krachten op kleine objecten wordt vaak gezien in micromanipulatie, materiaal wetenschap, en biologische en medische toepassingen. Onderzoekers in China hebben voor het eerst de microprint voorgesteld van een nieuwe micro-krachtsensor met vezeltip-polymeer geklemde bundelsonde voor het onderzoek van biologische monsters. Deze aanpak opent nieuwe wegen naar de realisatie van small-footprint AFM's, en de voorgestelde sensor heeft grote toepassingsmogelijkheden voor het onderzoeken van biologische monsters en de mechanische eigenschappen van materialen.

Door de trend van miniaturisering van apparaten, micromanipulatie is de afgelopen twee decennia een hot topic geweest. In tegenstelling tot de macrowereld, een micro-object kan gemakkelijk worden beschadigd als de contactkracht niet nauwkeurig wordt gedetecteerd en gecontroleerd. Bijvoorbeeld, bij medische hartkatheterisatie, als artsen de exacte contactkracht tussen de katheters en de bloedvatwanden niet kennen tijdens een interventionele procedure, de delicate bloedvatennetwerken kunnen worden beschadigd, ernstige gevolgen veroorzaken. Echter, het blijft een uitdaging om de grootte van de nanomechanische sensor te verkleinen en de krachtresolutie te vergroten vanwege mechanische feedbackmechanismen en actieve componenten. Het ontwikkelen van een compacte all-fiber, microkrachtsensor kan talloze mogelijkheden openen, inclusief realtime intracellulaire monitoring, minimaal invasieve sonderen, en detectie met hoge resolutie.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap &toepassingen, Professor Yiping Wang van de Universiteit van Shenzhen en zijn onderzoeksteam hebben de microprinting voorgesteld van een nieuwe micro-krachtsensor met geklemde straalsonde van fiber-tip-polymeer voor het onderzoek van biologische monsters. De voorgestelde sensor bestaat uit twee bases, een geklemde balk, en een krachtgevoelige sonde, die werden ontwikkeld met behulp van een femtoseconde-laser-geïnduceerde twee-foton-polymerisatietechniek. Een miniatuur all-fiber micro-krachtsensor van dit type vertoonde een ultrahoge krachtgevoeligheid van 1,51 nm/μN, een detectielimiet van 54,9 nN, en een eenduidig ​​sensormeetbereik van 2,9 mN. De Young's modulus van polydimethylsiloxaan, een vlindervoeler, en mensenhaar werden met succes gemeten met de voorgestelde sensor. Deze aanpak opent nieuwe wegen naar de realisatie van AFM's met een kleine voetafdruk die gemakkelijk kunnen worden aangepast voor gebruik in externe gespecialiseerde laboratoria. Dit apparaat zal gunstig zijn voor zeer nauwkeurig biomedisch en materiaalwetenschappelijk onderzoek, en de voorgestelde fabricagemethode biedt een nieuwe route voor de volgende generatie van onderzoek naar complexe vezelgeïntegreerde polymeerapparaten.

Met behulp van de structuur-gecorreleerde mechanica, het team ontwikkelde een compacte, volledig vezelige microkrachtsensor voor het onderzoek van biologische monsters. Bij deze voeler de ingeklemde balk, de draagvlakken, en de krachtgevoelige sonde werden afgedrukt op het oppervlak van de optische vezel met behulp van de TPP 3D-microprintmethode. De structuur van de sensor is geoptimaliseerd met behulp van de eindige-elementenmethode (FEM), en het statische kenmerk ervan werd geanalyseerd. Het oppervlak van het inkomende vezeluiteinde en de ingeklemde balk definiëren een Fabry-Perot-interferometer (FPI). Als er een externe kracht op de sonde wordt uitgeoefend, de sonde buigt de ingeklemde straal af, die de lengte van de FPI moduleert. Deze methode maakt gebruik van de lage stijfheid en hoge veerkracht van de structuur van de ingeklemde balk, maakt het mogelijk om voldoende te vervormen wanneer een kleine kracht wordt uitgeoefend, en verbetert zo zowel de krachtresolutie als het detectiebereik van de sensor aanzienlijk.

Het team voerde vervolgens microforce-sensing-metingen uit vóór eventuele sensing-toepassingen. Toen er geleidelijk kracht werd uitgeoefend op de sonde met geklemde bundel, het reflectiespectrum van de microkrachtsensor werd in realtime gevolgd. De resultaten toonden een blauwe verschuiving in de dipgolflengte, en de krachtgevoeligheid van de sensor werd berekend op -1,51 nm/μN door een lineaire aanpassing van de dipgolflengteverandering te gebruiken, die twee orden van grootte hoger zijn dan die van de eerder gerapporteerde glasvezelkrachtsensor op basis van een ballonachtige interferometer. Dus, de relatie tussen de uitgeoefende kracht en de output van de sensor werd gekwantificeerd. In aanvulling, de microkrachtsensor heeft een detectielimiet van 54,9 nN, en een eenduidig ​​sensormeetbereik van 2,9 mN.

In de laatste fase, nadat het systeem volledig was gekalibreerd, de voorgestelde sensor heeft met succes PDMS gemeten, een vlindervoeler en mensenhaar. Resultaten werden geverifieerd met behulp van een AFM. Er wordt aangenomen dat deze vezelsensor de kleinste krachtdetectielimiet heeft in de directe contactmodus die tot nu toe is gerapporteerd. Met zijn hoge krachtgevoeligheid, ultra-kleine detectielimiet, meting op micrometerschaal, gemakkelijke verpakking, volledig diëlektrisch ontwerp, biocompatibiliteit, en volledig vezelverrichting, de voorgestelde sensor heeft grote toepassingsmogelijkheden voor het onderzoeken van biologische monsters en de mechanische eigenschappen van materialen.