中国科学院
不同高度夹束探针的光学显微图像及其相应的反射光谱
b、c和d是传感器在相同微力(1 μN)作用于不同直径(10、5和3微米)探头下的弯曲变形模拟结果
相同微力(1 μN)下探针直径与弯曲变形的关系
信用:邹孟强、廖昌瑞、沈柳、丛雄、、赵金来、甘宗松、、、、、王 在微操作、材料科学以及生物和医学应用中，经常可以看到对小物体所施加力的控制和测量
中国的研究人员首次提出了一种用于生物样品检测的新型纤维尖端聚合物夹束探针微力传感器的微打印技术
该方法为实现小尺寸原子力显微镜开辟了新的途径，所提出的传感器在检测生物样品和材料力学性能方面具有很大的应用前景
近二十年来，由于器件小型化的趋势，微操作一直是一个热门话题
与宏观世界不同，如果接触力没有被精确检测和控制，微观物体很容易被损坏
例如，在医疗心脏导管插入术中，如果医生不知道介入过程中导管和血管壁之间的确切接触力，脆弱的血管网络可能会受损，导致严重后果
然而，由于机械反馈机制和有源元件，缩小纳米机械传感器的尺寸并提高力的分辨率仍然是一个挑战
开发一种紧凑的全光纤微力传感器可以打开无数的功能，包括实时细胞内监测、微创探测和高分辨率检测
在《光科学与应用》杂志发表的一篇新论文中，来自深圳大学的王教授和他的研究团队提出了一种用于生物样品检测的新型光纤-尖端-聚合物夹束探针微力传感器
该传感器由两个基座、一个夹持梁和一个力传感探针组成，它们是利用飞秒激光诱导双光子聚合技术开发的
这种类型的微型全光纤微力传感器显示出1
51纳米/μN，检测限为54
9 nN，明确的传感器测量范围为2
9 mN
用该传感器成功地测量了聚二甲基硅氧烷、蝶形测隙规和人发的杨氏模量
这种方法为实现小尺寸原子力显微镜开辟了新的途径，可以很容易地适用于外部专业实验室
该器件将有利于高精度生物医学和材料科学检测，所提出的制备方法为下一代复杂光纤集成聚合物器件的研究提供了新的途径
如箭头所示，当力从0增加到2700牛顿时，传感器反射光谱的变化
倾斜波长与力的关系
该线是测量数据点的线性拟合，误差条是通过临界重复力测量实验三次而获得的
基于有限元的变形分布模拟结果
信用:邹孟强、廖昌瑞、沈柳、丛雄、、赵金来、甘宗松、、、、、王 利用结构相关力学，该团队开发了一种紧凑的全纤维微力传感器，用于检测生物样本
在该传感器中，夹持梁、支撑基座和力传感探针采用TPP 3D微印刷方法印刷在光纤端面上
采用有限元方法对传感器的结构进行了优化，并分析了其静态特性
引入光纤端面和夹紧光束限定了法布里-珀罗干涉仪
当外力施加在探头上时，探头使夹紧的光束偏转，这调节了FPI的长度
这种方法利用了夹持梁结构的低刚度和高弹性，使其在施加较小的力时能够充分变形，从而大大提高了力的分辨率和传感器的检测范围
该团队随后在任何传感应用之前进行了微力传感测量
当力逐渐施加到夹束探针时，微力传感器的反射光谱被实时监测
结果显示倾斜波长蓝移，并且传感器的力灵敏度被计算为-1
51 nm/μN，比以前报道的基于气球状干涉仪的光纤力传感器高两个数量级
因此，施加的力和传感器的输出之间的关系被量化
此外，微力传感器的检测极限为54
9 nN，明确的传感器测量范围为2
9 mN
对数标度上的杨氏模量力学图
b .推压所建议传感器的蝶形塞尺的CCD图像
当PDMS从0°偏转到20°微米时传感器反射光谱的演变
蝶形测隙规从0到150微米偏转时传感器反射光谱的演变
信用:邹孟强、廖昌瑞、沈柳、丛雄、、赵金来、甘宗松、、、、、王 在最后一个阶段，在系统完全校准后，提出的传感器成功地测量了PDMS，一个蝴蝶触角和人的头发
使用原子力显微镜验证结果
据信，这种光纤传感器在迄今为止报道的直接接触模式中具有最小的力检测极限
该传感器具有力灵敏度高、超小检测限、微米级测量、易于封装、全介电设计、生物相容性和全纤维操作等优点，在检测生物样品和材料力学性能方面具有广阔的应用前景
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