高出原子力显微镜10倍超灵敏探测装置可“听”细胞

[2017/5/19]

    美国加州大学圣地亚哥分校研究人员开发出一种超灵敏探测装置，其灵敏度要高出原子力显微镜10倍，能够收集并量化微弱的力和声音。他们5月15日发表在《自然·光子学》杂志上的论文称，这一装置可以感受到细菌移动产生的力量，能“听”到心肌细胞跳动的声音。

    该装置是一种直径只有人类头发直径百分之一的纳米光纤，由极薄的二氧化锡纤维制成，表面涂上聚乙二醇薄层，并嵌有金纳米粒子。其工作原理是：当被光线照射时，金纳米粒子会与光相互作用，将光散射。这些光信号以特定的强度出现，可以用传统显微镜观察到。当光纤被置于含有活细胞的溶液中时，来自细胞的力或声波会撞击金纳米粒子，将它们推入聚乙二醇涂层，从而更接近光纤，粒子与光的相互作用会更强烈，产生的光信号会更强。通过对光信号进行分析，研究人员可检测出光纤从周围细胞拾取的力或声音的强度。

    当这一装置被放置在含有活幽门螺旋杆菌的溶液中时，它可以检测到160飞牛顿（10万亿分之一牛顿）的力，这也是幽门螺旋杆菌在肠道中移动产生的力量。而若把其放置在小鼠心肌细胞的培养液中，它能检测到心肌细胞跳动的声音，这比人耳所能听到的最弱音量还要低1000倍。

    该装置的关键是聚乙二醇涂层，它就像一个弹簧垫，要足够灵敏才能被细胞产生的微弱的力或声波压缩到不同的厚度。而这一涂层是可以调整的：如果想要测量更大的力，可以使用更硬的涂层；如果要测量的力很小，则可以使用像水凝胶一样的较软涂层。

    研究人员表示，作为一种超灵敏的纳米机械探测工具，新装置为研究一些微弱力提供了有力支持。它不仅能够收集微弱的力和声音，还可以对其进行量化；不仅比原子力显微镜更灵敏，也比原子力显微镜更小巧。他们计划使用这种纳米光纤来测量单个细胞的生物活性和机械行为；改善这种光纤的“听力”，以创建超灵敏的生物听诊器，并用于开发新的成像技术。

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