a Images de microscopie optique de sondes à faisceau serré avec différentes hauteurs et leurs spectres de réflexion correspondants. b, c, et d sont les résultats de simulation de déformation en flexion du capteur sous la même micro-force (1 N) agissant sur la sonde avec des diamètres différents (10, 5, et 3 µm). e Relation entre le diamètre de la sonde et la déformation en flexion sous la même micro force (1 N). Crédit :Mengqiang Zou, Changrui Liao, Shen Liu, Cong Xiong, Cong Zhao, Jinlai Zhao, Zongsong Gan, Yanping Chen, Kaiming Yang, Dan Liu, Ying Wang et Yiping Wang
Le contrôle et la mesure des forces exercées sur de petits objets sont fréquemment observés en micromanipulation, science matérielle, et les applications biologiques et médicales. Des chercheurs en Chine ont proposé pour la première fois la micro-impression d'un nouveau capteur de micro-force à sonde à faisceau serré en polymère à pointe de fibre pour l'examen d'échantillons biologiques. Cette approche ouvre de nouvelles voies vers la réalisation d'AFM à faible encombrement, et le capteur proposé a de grandes perspectives d'application pour l'examen d'échantillons biologiques et les propriétés mécaniques des matériaux.
En raison de la tendance à la miniaturisation des appareils, la micromanipulation a été un sujet brûlant au cours des deux dernières décennies. Contrairement au monde macro, un micro-objet peut facilement être endommagé si la force de contact n'est pas détectée et contrôlée avec précision. Par exemple, en cathétérisme cardiaque médical, si les médecins ne connaissent pas la force de contact exacte entre les cathéters et les parois des vaisseaux sanguins au cours d'une procédure interventionnelle, les réseaux fragiles de vaisseaux sanguins pourraient être endommagés, provoquant de graves conséquences. Cependant, il reste difficile de réduire la taille du capteur nanomécanique et d'augmenter la résolution de la force en raison des mécanismes de rétroaction mécanique et des composants actifs. Développer un tout-fibre compact, Le capteur de micro-force peut ouvrir d'innombrables capacités, y compris la surveillance intracellulaire en temps réel, sondage mini-invasif, et détection haute résolution.
Dans un nouvel article publié dans Sciences de la lumière et applications, Le professeur Yiping Wang de l'Université de Shenzhen et son équipe de recherche ont proposé la micro-impression d'un nouveau capteur de micro-force à sonde à faisceau serré en polymère à pointe de fibre pour l'examen d'échantillons biologiques. Le capteur proposé se compose de deux bases, une poutre encastrée, et une sonde de détection de force, qui ont été développés en utilisant une technique de polymérisation à deux photons induite par un laser femtoseconde. Un micro-capteur de force miniature entièrement en fibre de ce type présentait une sensibilité à la force ultra-élevée de 1,51 nm/μN, une limite de détection de 54,9 nN, et une plage de mesure sans ambiguïté du capteur de 2,9 mN. Le module d'Young du polydiméthylsiloxane, un palpeur papillon, et les cheveux humains ont été mesurés avec succès avec le capteur proposé. Cette approche ouvre de nouvelles voies vers la réalisation d'AFM à faible encombrement qui pourraient être facilement adaptés pour une utilisation dans des laboratoires spécialisés extérieurs. Cet appareil sera bénéfique pour les examens biomédicaux et de science des matériaux de haute précision, et la méthode de fabrication proposée offre une nouvelle voie pour la prochaine génération de recherche sur les dispositifs polymères complexes à fibres intégrées.
a Evolution des spectres de réflexion du capteur au fur et à mesure que la force passe de 0 à 2700 nN, comme indiqué par les flèches. b Plonger la longueur d'onde en fonction de la force. La ligne est l'ajustement linéaire des points de données mesurés et la barre d'erreur est obtenue en répétant de manière critique l'expérience de mesure de la force trois fois. c Résultats de simulation de distribution de déformation basés sur FEM. Crédit :Mengqiang Zou, Changrui Liao, Shen Liu, Cong Xiong, Cong Zhao, Jinlai Zhao, Zongsong Gan, Yanping Chen, Kaiming Yang, Dan Liu, Ying Wang et Yiping Wang
En utilisant la mécanique corrélée à la structure, l'équipe a développé un capteur de micro-force compact entièrement en fibres pour l'examen d'échantillons biologiques. Dans ce capteur, la poutre encastrée, les bases d'appui, et la sonde de détection de force ont été imprimées sur la surface d'extrémité de la fibre optique à l'aide de la méthode de micro-impression 3D TPP. La structure du capteur a été optimisée par la méthode des éléments finis (FEM), et sa caractéristique statique a été analysée. La surface d'extrémité de la fibre d'entrée et le faisceau serré définissent un interféromètre de Fabry-Perot (FPI). Lorsqu'une force extérieure est exercée sur la sonde, la sonde dévie le faisceau serré, qui module la longueur du FPI. Cette méthode utilise la faible rigidité et la haute résilience de la structure de la poutre encastrée, lui permet de se déformer suffisamment lorsqu'une petite force est appliquée, et améliore ainsi considérablement la résolution de force et la plage de détection du capteur.
L'équipe a ensuite effectué des mesures de détection de microforce avant toute application de détection. Lorsque la force a été progressivement appliquée à la sonde à faisceau serré, le spectre de réflexion du capteur de micro-force a été surveillé en temps réel. Les résultats ont montré un décalage vers le bleu dans la longueur d'onde de creux, et la sensibilité à la force du capteur a été calculée comme étant de -1,51 nm/μN en utilisant un ajustement linéaire du changement de longueur d'onde d'inclinaison, qui sont deux ordres de grandeur plus élevés que celui du capteur de force à fibre optique précédemment rapporté basé sur un interféromètre en forme de ballon. Ainsi, la relation entre la force appliquée et la sortie du capteur a été quantifiée. En outre, le capteur de micro-force a une limite de détection de 54,9 nN, et une plage de mesure sans ambiguïté du capteur de 2,9 mN.
a Diagramme mécanique du module de Young en échelle logarithmique. b Image CCD de la poussée contre le palpeur papillon du capteur proposé. c Evolution du spectre de réflexion du capteur au fur et à mesure que le PDMS dévie de 0 à 20 m. d Evolution du spectre de réflexion du capteur avec déviation du palpeur papillon de 0 à 150 μm. Crédit :Mengqiang Zou, Changrui Liao, Shen Liu, Cong Xiong, Cong Zhao, Jinlai Zhao, Zongsong Gan, Yanping Chen, Kaiming Yang, Dan Liu, Ying Wang et Yiping Wang
Au dernier stade, une fois le système entièrement calibré, le capteur proposé a mesuré avec succès le PDMS, une antenne papillon et des cheveux humains. Les résultats ont été vérifiés à l'aide d'un AFM. On pense que ce capteur à fibre a la plus petite limite de détection de force en mode contact direct signalée à ce jour. Avec sa haute sensibilité à la force, limite de détection ultra-petite, mesure à l'échelle micrométrique, emballage facile, conception tout diélectrique, biocompatibilité, et fonctionnement tout fibre, le capteur proposé a de grandes perspectives d'application pour l'examen d'échantillons biologiques et les propriétés mécaniques des matériaux.
