Kontroll och mätning av påstådda krafter på små föremål ses ofta vid mikromanipulation, materialvetenskap, och biologiska och medicinska tillämpningar. Forskare i Kina har för första gången föreslagit mikrotryckning av en ny mikrokraftsensor med fiberspets-polymer med klämd stråle för undersökning av biologiska prover. Detta tillvägagångssätt öppnar nya vägar för att förverkliga AFM:er med liten fotavtryck, och den föreslagna sensorn har stora tillämpningsmöjligheter för att undersöka biologiska prover och de mekaniska egenskaperna hos material.

På grund av trenden med miniatyrisering av enheter, mikromanipulation har varit ett hett ämne under de senaste två decennierna. Till skillnad från makrovärlden, ett mikroobjekt kan lätt skadas om kontaktkraften inte detekteras och kontrolleras korrekt. Till exempel, vid medicinsk hjärtkateterisering, om läkare inte känner till den exakta kontaktkraften mellan katetrarna och blodkärlsväggarna under ett interventionsförfarande, de ömtåliga blodkärlsnäten kan skadas, orsaka allvarliga konsekvenser. Dock, det är fortfarande en utmaning att skala ner storleken på den nanomekaniska sensorn och öka kraftupplösningen på grund av mekaniska återkopplingsmekanismer och aktiva komponenter. Utveckla en kompakt helfiber, mikrokraftsensor kan öppna upp otaliga möjligheter, inklusive intracellulär övervakning i realtid, minimalt invasiv sondering, och högupplöst detektering.

I en ny tidning publicerad i Ljusvetenskap och applikationer, Professor Yiping Wang från Shenzhen University och hans forskargrupp har föreslagit mikrotryckning av en ny fiber-spets-polymer mikrokraftsensor för undersökning av biologiska prover. Den föreslagna sensorn består av två baser, en fastspänd balk, och en kraftavkännande sond, som utvecklades med användning av en femtosekund-laserinducerad tvåfotonpolymerisationsteknik. En miniatyr helfiber mikrokraftsensor av denna typ uppvisade en ultrahög kraftkänslighet på 1,51 nm/μN, en detektionsgräns på 54,9 nN, och ett entydigt sensormätområde på 2,9 mN. The Youngs modul för polydimetylsiloxan, en fjärilskännare, och människohår mättes framgångsrikt med den föreslagna sensorn. Detta tillvägagångssätt öppnar nya vägar för att förverkliga AFM:er med liten fotavtryck som lätt kan anpassas för användning i externa specialiserade laboratorier. Denna enhet kommer att vara fördelaktig för biomedicinsk och materialvetenskaplig undersökning med hög precision, och den föreslagna tillverkningsmetoden ger en ny väg för nästa generations forskning om komplexa fiberintegrerade polymeranordningar.

Med hjälp av den strukturkorrelerade mekaniken, teamet utvecklade en kompakt heltfiber mikrokraftsensor för undersökning av biologiska prover. I denna sensor, den fastklämda balken, stödbaserna, och den kraftavkännande sonden trycktes på den optiska fiberns ändyta med hjälp av TPP 3D-mikrotryckningsmetod. Sensorns struktur optimerades med finita elementmetoden (FEM), och dess statiska egenskaper analyserades. Den inledande fiberändens yta och den fastklämda strålen definierar en Fabry-Perot-interferometer (FPI). När en extern kraft utövas på sonden, sonden avleder den fastklämda strålen, som modulerar längden på FPI. Denna metod utnyttjar den låga styvheten och höga elasticiteten hos strukturen hos den fastklämda balken, gör att den deformeras tillräckligt när en liten kraft appliceras, och förbättrar på så sätt avsevärt både kraftupplösning och detektionsområde för sensorn.

Teamet utförde sedan mikrokraftsavkänningsmätningar före eventuella avkänningsapplikationer. När kraft gradvis applicerades på sond med fastspänd balk, reflektionsspektrumet för mikrokraftsensorn övervakades i realtid. Resultaten visade en blå förändring i doppvåglängden, och sensorns kraftkänslighet beräknades till -1,51 nm/μN genom att använda en linjär passning av dippvåglängdsändringen, som är två storleksordningar högre än den för den tidigare rapporterade fiberoptiska kraftsensorn baserad på en ballongliknande interferometer. Således, förhållandet mellan den applicerade kraften och utsignalen från sensorn kvantifierades. Dessutom, mikrokraftsensorn har en detektionsgräns på 54,9 nN, och ett entydigt sensormätområde på 2,9 mN.

I det sista skedet, efter att systemet var helt kalibrerat, den föreslagna sensorn mätte PDMS framgångsrikt, en fjärilskännare och människohår. Resultaten verifierades med hjälp av en AFM. Man tror att denna fibersensor har den lägsta kraftdetekteringsgränsen i direktkontaktläge som hittills rapporterats. Med sin höga kraftkänslighet, ultraliten detektionsgräns, mätning i mikrometerskala, lätt förpackning, helt dielektrisk design, biokompatibilitet, och helfiberdrift, den föreslagna sensorn har stora tillämpningsmöjligheter för att undersöka biologiska prover och materialens mekaniska egenskaper.