Устройство представляет собой оптическое волокно наноразмеров, которое примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса. Он может обнаруживать силы вплоть до 160 фемтоньютонов — примерно в десять триллионов раз меньше, чем ньютон — при помещении в раствор, содержащий живые бактерии Helicobacter pylori, которые являются плавающими бактериями, обнаруженными в кишечнике. В культурах бьющихся клеток сердечной мышцы мышей нановолокно может улавливать звуки до -30 децибел — уровень, который в тысячу раз ниже предела человеческого уха.«Эта работа может открыть новые возможности для отслеживания небольших взаимодействий и изменений, которые нельзя было отследить раньше», — сказал профессор наноинженерии Дональд Сирбули из инженерной школы Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкобс, руководивший исследованием.
Он предполагает, что некоторые приложения включают обнаружение присутствия и активности одной бактерии; мониторинг образования и разрыва облигаций; обнаружение изменений в механическом поведении клетки, которые могут сигнализировать о том, что она становится злокачественной или подвергается атаке вируса; или мини-стетоскоп для мониторинга клеточной акустики in vivo.Работа опубликована в Nature Photonics 15 мая.Оптическое волокно, разработанное Сирбули и его коллегами, по крайней мере в 10 раз более чувствительно, чем атомно-силовой микроскоп (АСМ), прибор, который может измерять бесконечно малые силы, создаваемые взаимодействующими молекулами.
И хотя АСМ являются громоздкими устройствами, это оптическое волокно имеет диаметр всего несколько сотен нанометров. «Это мини-АСМ с чувствительностью оптического пинцета», — сказал Сирбули.Устройство изготовлено из чрезвычайно тонкого волокна диоксида олова, покрытого тонким слоем полимера, называемого полиэтиленгликолем, и усыпано наночастицами золота.
Чтобы использовать устройство, исследователи погружают нано-оптическое волокно в раствор клеток, направляют луч света по волокну и анализируют световые сигналы, которые оно посылает. Эти сигналы, в зависимости от их интенсивности, показывают, какую силу или звук волокно принимает от окружающих клеток.
«Мы не просто способны улавливать эти небольшие силы и звуки, мы можем количественно измерить их с помощью этого устройства. Это новый инструмент для наномеханического зондирования с высоким разрешением», — сказал Сирбули.
Вот как работает устройство: когда свет проходит по оптическому волокну, он сильно взаимодействует с наночастицами золота, которые затем рассеивают свет в виде сигналов, которые можно увидеть с помощью обычного микроскопа. Эти световые сигналы проявляются с определенной интенсивностью.
Но эта интенсивность меняется, когда волокно помещается в раствор, содержащий живые клетки. Силы и звуковые волны от клеток поражают наночастицы золота, проталкивая их в слой полимера, отделяющий их от поверхности волокна. Придвигание наночастиц ближе к волокну позволяет им сильнее взаимодействовать со светом, идущим по волокну, тем самым увеличивая интенсивность световых сигналов. Исследователи откалибровали устройство так, чтобы они могли сопоставить интенсивность сигнала с разными уровнями силы или звука.
Ключом к этой работе является полимерный слой волокна. Он действует как пружинный матрас, достаточно чувствительный, чтобы его можно было сжать до разной толщины слабыми силами и звуковыми волнами, создаваемыми клетками. А Сирбули говорит, что полимерный слой можно настроить — если исследователи хотят измерить большие силы, они могут использовать более жесткое полимерное покрытие; для повышения чувствительности можно использовать более мягкий полимер, например гидрогель.В дальнейшем исследователи планируют использовать нановолокна для измерения биоактивности и механического поведения отдельных клеток.
Будущие работы также включают улучшение "слуховых" способностей волокон для создания сверхчувствительных биологических стетоскопов и настройку их акустического отклика для разработки новых методов визуализации.