機(jī)械壓力感知在生物過程中扮演著至關(guān)重要的角色，然而由于檢測(cè)技術(shù)的匱乏以及傳感器難以有效接近組織，相關(guān)感知工作面臨極大挑戰(zhàn)。近期，中南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院趙岳濤副教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種基于納米光機(jī)械轉(zhuǎn)換器的等離子體微傳感器，通過將金納米顆粒高密度封裝于可壓變形的海藻酸鹽水凝膠微球中，實(shí)現(xiàn)了從溶液到生物組織的壓力傳感，為活體組織壓力監(jiān)測(cè)提供了新平臺(tái)。

本 文 要 點(diǎn)

1、本文提出一種基于納米光機(jī)械轉(zhuǎn)換器的等離子體微傳感器，其通過將金納米顆粒密集封裝在可壓變形的海藻酸鹽水凝膠微球中構(gòu)建而成。

2、環(huán)境壓力壓縮會(huì)使微凝膠尺寸收縮，減小金納米顆粒間距并增強(qiáng)等離子體耦合，進(jìn)而導(dǎo)致光吸收、散射和光聲信號(hào)等光學(xué)信號(hào)發(fā)生變化。

3、實(shí)驗(yàn)表明，該微傳感器在溶液水平下壓力從0升至14kPa時(shí)吸收峰紅移10nm，靈敏度達(dá)0.7nm/kPa且光聲信號(hào)隨壓力增強(qiáng)。

4、在單顆粒水平下，微球在不同濃度P8K溶液中隨壓力變化尺寸縮小、光散射強(qiáng)度增加且顏色改變，響應(yīng)具有可逆性和良好重現(xiàn)性。

5、在組織水平應(yīng)用中，該傳感器通過光聲成像成功區(qū)分腎臟、心臟和腫瘤組織的壓力差異，其光聲信號(hào)與組織硬度一致。

6、此等離子體微傳感器為壓力傳感提供了有前景的平臺(tái)，有望應(yīng)用于生物壓力檢測(cè)及疾病診斷等領(lǐng)域。

圖1.等離子體微傳感器用于壓力傳感的示意圖及其相應(yīng)機(jī)理。

圖2.等離子體微傳感器的構(gòu)建與表征。(a) GNPs-Algel的制備示意圖。(b)海藻酸鹽水凝膠（左）和GNPs-Algel（右）的透射電鏡（上）和掃描電鏡（下）圖像。(c)多個(gè)GNPs-Algel微粒的透射電鏡圖像。(d) GNPs-Algel的紫外-可見-近紅外光譜。(e)采用剪切流變學(xué)測(cè)得的GNPs-Algel的流變學(xué)特性。

圖3. GNPs-Algel在溶液水平的壓力傳感。(a) GNPs-Algel在不同壓力下的吸收光譜。(b) GNPs-Algel的吸光度峰值質(zhì)心與壓力的相關(guān)性。(c)彩色和灰度光聲信號(hào)。(d)計(jì)算得到的GNPs-Algel在不同濃度P8K溶液中的平均光聲強(qiáng)度。比例尺：0.1mm。

圖4. GNPs-Algel在單顆粒水平的壓力傳感。(a)將GNPs-Algel固定在載玻片表面以觀察單顆粒在壓力變化下的形變和光學(xué)信號(hào)的示意圖。(b)采用暗場(chǎng)散射顯微鏡觀察單個(gè)顆粒在不同濃度P8K溶液中的代表性圖像，分別為明場(chǎng)（BF）、暗場(chǎng)（DF）以及配備720nm和525nm濾光片的暗場(chǎng)（DF-720濾光片和DF-525濾光片）。最右側(cè)圖（DF-525相機(jī)）為在DF-525濾光片下通過CCD相機(jī)拍攝的微傳感器圖片。比例尺：5μm。(c)由圖(b)計(jì)算得到的微傳感器在不同P8K溶液中的散射光強(qiáng)度。

圖5. GNPs-Algel在組織水平的生物壓力傳感。(a)微傳感器用于組織中生物壓力傳感的示意圖。(b)腎臟、(c)腫瘤和(d)心臟注射Cy5標(biāo)記的海藻酸鹽水凝膠后的DAPI（4',6-二脒基-2-苯基吲哚）染色圖像。比例尺：5μm。(e)含有GNPs-Algel微傳感器的不同離體組織的光聲成像。比例尺：0.2mm。

來源：https://doi.org/10.1021/acsanm.5c01819