L’équipe propose la micro-impression d’une sonde à faisceau à pince polymère avec une pointe en fibre pour des mesures de nanoforce très sensibles


Sonde à faisceau à pince en polymère avec pointe en fibre pour des mesures de nanoforce hautement sensibles

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 la déformation en flexion du capteur sous la même micro- (1 N) agissant sur la de diamètres différents (10, 5 et 3 m). e Relation entre le diamètre de la sonde et la déformation en flexion avec la même micro-force (1 N). Crédit photo : 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 largement utilisés dans la micromanipulation, la science des matériaux et les applications biologiques et médicales. Des chercheurs chinois ont proposé pour la première fois la micro-pression d’un nouveau capteur de microforce fabriqué à partir d’une sonde à faisceau de serrage en à pointe de fibre pour l’étude d’échantillons biologiques. Cette approche ouvre de nouvelles voies pour réaliser des AFM avec un faible encombrement, et le capteur proposé a de grandes perspectives d’application pour l’étude 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 être facilement endommagé si la force de contact n’est pas enregistrée et contrôlée avec précision. Par exemple, si les médecins ne connaissent pas la force de contact exacte entre le cathéter et les parois des vaisseaux sanguins lors d’une procédure interventionnelle lors d’un examen médical par cathéter cardiaque, les réseaux de vaisseaux sanguins sensibles peuvent être endommagés, ce qui peut avoir des conséquences graves. Cependant, en raison des mécanismes de rétroaction mécanique et des composants actifs, il reste un défi de réduire la taille du capteur nanomécanique et d’augmenter la résolution de la force. Le développement d’un capteur de microforce entièrement en fibres peut ouvrir une myriade de possibilités, notamment la surveillance intracellulaire en temps réel, le sondage mini-invasif et la 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-pression d’un nouveau capteur de micro-force constitué d’une sonde à faisceau de serrage en polymère à pointe de fibre pour l’examen d’échantillons biologiques. Le capteur proposé se compose de deux bases, d’un faisceau serré et d’une sonde de mesure de force développée à l’aide d’une technique de polymérisation à deux photons induite par laser femtoseconde. Un tel capteur miniature de microforce entièrement en fibre avait 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 de capteur claire de 2,9 mN. Le module de Young du polydiméthylsiloxane, une sonde papillon et des cheveux humains ont été mesurés avec succès avec le capteur proposé. Cette approche ouvre de nouvelles voies pour réaliser des AFM avec un faible encombrement qui pourraient facilement être adaptés pour une utilisation dans des laboratoires spécialisés externes. Ce dispositif sera bénéfique pour les études biomédicales et de science des matériaux de haute précision, et le processus de fabrication proposé offre une nouvelle voie pour la prochaine génération de recherche sur les dispositifs polymères complexes à fibres intégrées.

Sonde à faisceau à pince en polymère avec pointe en fibre pour des mesures de nanoforce hautement sensibles

a Evolution des spectres de réflexion du capteur lorsque la force est augmentée de 0 à 2700 nN, comme indiqué par les flèches. b Longueur d’onde d’immersion 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 force trois fois. c Résultats de simulation de la distribution de déformation basés sur FEM. Crédit photo : 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

À l’aide de la mécanique corrélée à la structure, l’équipe a développé un capteur de microforce compact entièrement en fibre pour l’examen d’échantillons biologiques. Avec ce capteur, la poutre encastrée, les bases de support et la sonde de mesure de force ont été imprimées sur la face d’extrémité de la fibre de verre en utilisant le procédé de micro-impression TPP-3D. La structure du capteur a été optimisée à l’aide de la méthode des éléments finis (FEM) et ses propriétés statiques ont été analysées. La face d’extrémité de la fibre d’introduction et le faisceau retenu définissent un interféromètre de Fabry-Pérot (FPI). Lorsqu’une force externe est appliquée à la sonde, la sonde dévie le faisceau contraint, modulant ainsi la longueur du FPI. Ce procédé tire parti de la faible rigidité et de la souplesse élevée de la structure de la poutre serrée, lui permet de se déformer suffisamment lorsqu’une petite force est appliquée, et améliore ainsi de manière significative à la fois la résolution de la force et la plage de détection du capteur.

L’équipe a ensuite effectué des mesures de mesure de microforce devant toutes les applications de capteurs. Le spectre de réflexion du micro-capteur de force a été surveillé en temps réel en tant que force exercée sur la sonde du faisceau de serrage. Les résultats ont montré un décalage vers le bleu de la longueur d’onde du creux, et la sensibilité à la force du capteur a été calculée comme étant de -1,51 nm / N en utilisant un ajustement linéaire du changement de longueur d’onde du creux qui est de deux ordres de grandeur supérieur à celui de la fibre précédemment rapportée. capteur de force optique Base d’un interféromètre en forme de ballon. Ainsi, la relation entre la force appliquée et la sortie du capteur a été quantifiée. De plus, le micro-capteur de force a une limite de détection de 54,9 nN et une plage de mesure claire du capteur de 2,9 mN.

Sonde à faisceau à pince en polymère avec pointe en fibre pour des mesures de nanoforce hautement sensibles

a Diagramme mécanique du module d’élasticité sur une échelle logarithmique. b Image CCD de la pression contre la sonde papillon du capteur proposé. c Evolution du spectre de réflexion du capteur lorsque le PDMS est dévié de 0 à 20 µm. d Evolution du spectre de réflexion du capteur lorsque le capteur papillon est dévié de 0 à 150 μm. Crédit photo : 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

Dans la phase finale, une fois le système entièrement calibré, le capteur proposé a mesuré avec succès le PDMS, une sonde papillon et les cheveux humains. Les résultats ont été vérifiés avec un AFM. Ce capteur à fibre est censé avoir la plus petite limite de détection de force signalée à ce jour en mode contact direct. Avec sa sensibilité élevée à la force, la limite de détection ultra-petite, la mesure dans la gamme du micromètre, le conditionnement simple, la conception entièrement diélectrique, la biocompatibilité et le fonctionnement en fibre pure, le capteur proposé offre de grandes perspectives d’application pour l’étude d’échantillons biologiques et les propriétés mécaniques des matériaux.


Des chercheurs fabriquent des capteurs de force à fibre optique minuscules mais complexes


Plus d’information:
Mengqiang Zou et al., Sonde de faisceau à pince polymère à pointe de fibre pour des mesures de nanoforce hautement sensibles, Lumière : science et applications (2021). DOI : 10.1038 / s41377-021-00611-9

Fourni par l’Académie chinoise des sciences

Citation: L’équipe propose la micro-impression d’une sonde à faisceau serré en polymère avec une pointe en fibre pour des mesures de nanoforce hautement sensibles (2021, 23 septembre), consulté le 23 septembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-09-team- microprinting -fiber- tip-polymer-clamped-carrier.html

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