研究背景
在生命科学的微观世界里，力学信号无处不在，它们贯穿于细胞的运动、迁移、分裂乃至病变过程。从细胞内分子马达产生的皮牛（pN，10^-12牛顿）级力，到细胞迁移和肌肉收缩产生的纳牛至微牛级力，这些精密的力学行为是理解细胞功能与疾病机制（如癌症转移、纤维化、感染）的关键线索。然而，要在液态生理环境中精确且快速地测量这些微弱力，同时不干扰细胞的自然活动，是一项巨大的技术挑战。

传统的微悬臂梁力传感器虽被广泛应用，但往往受限于复杂的反馈系统、电磁干扰以及有限的液体兼容性。尽管基于光纤的干涉传感技术凭借其紧凑、抗干扰等优势展现出潜力，但能够达到皮牛级灵敏度、兼具液体环境适应性并实现高通量动态力学检测的微型化方案，在此项研究之前仍属空白。

2026年7月9日，浙江大学光电科学与工程学院张磊/童利民研究团队在《Nature Photonics》期刊发表了题为 “Piconewton-sensitive cell stethoscope using an optical microcantilever” 的研究论文，成功研制出一种基于微纳光纤光学微悬臂的“细胞听诊器”，实现了亚皮牛顿级力学灵敏度、兆赫兹级动态响应以及液体环境中的活细胞力学“听诊”，并首次将心肌细胞的微弱收缩信号转化为可以听见的声音。

论文第一作者为光电学院博士生屠锡涛，通讯作者为张磊教授和童利民教授。合作者包括来自浙江大学交叉力学中心、浙江大学高分子系以及浙江大学基础交叉研究院的多位光学、力学、医学、材料等多学科师生。同时，河南省医学科学院电生理研究所和斯高研究院作为合作单位，在细胞力学分析、电刺激、钙荧光成像等实验环节提供了设备及技术支撑。

该器件将超灵敏光学相位检测系统封装于微型化微纳光纤干涉结构之中，旨在实现对微弱力的高灵敏度、高响应速度、多环境兼容检测。

研究的具体目标包括：
（1）开发一种可定制弹簧常数（跨越六个数量级）的OMC制备方法；
（2）实现亚皮牛级别的力检测分辨率（理论热噪声极限~180 fN，实验分辨率~200 fN）；
（3）验证OMC在液相物理化学反应中实时追踪皮牛级动态力的能力；
（4）展示OMC作为“细胞听诊器”在心肌细胞收缩力学实时定量分析及非侵入性声学监测中的应用潜力，并与钙荧光成像进行多参数联合分析。

研究结果
（一）器件设计与工作原理
OMC的核心是一个由微纳光纤（MNF）构成的干涉结构。制备时，首先通过火焰加热拉伸系统将标准通信光纤拉制为直径可控的MNF；然后将MNF进行轴向扭转形成悬臂结构；最后浸入PDMS后提起，利用表面张力驱动使PDMS均匀包裹并在前端环形区成膜，固化后得到完整器件。该设计巧妙运用了模式干涉原理—宽带光通过扭曲耦合区时激发偶模与奇模，两者相位差对外界微小形变极为敏感，环形区受力时干涉光谱发生可量化的波长漂移或强度变化（图1b-1g）。

图1. OMCs的概念与制备方法

（二）力学与光学传感性能
力学性能表征中，团队使用纳米压痕仪对OMC施加已知力并测量挠度，结合有限元模拟评估弹性行为。结果表明，OMC在小形变范围内为线性弹性体，弹簧常数随光纤直径四次方变化，可通过调节直径在六个数量级内精准调控（从6.83 μN/m到3.02 N/m）（图2a、2b）。

光学标定中，以直径1.7 μm（弹簧常数7.98 μN/m）的OMC为例，施加0~320pN力时输出光强线性减小，灵敏度为0.148%/pN（图2e）；系统噪声对应力分辨率达200 fN，与理论热噪声极限（约180 fN）吻合。波长漂移检测灵敏度为8.9 pm/pN（图2i），经傅里叶分解后的包络模式灵敏度进一步提升至86.1 pm/pN（图2j）。器件在3.2 pN步进加载-卸载中表现稳定可逆（图2f、2g），在10万次循环后性能无衰减（图2k）。与AFM及光纤传感器相比，OMC在灵敏度和量程范围上均具显著优势（图2l）。

图2. OMCs的力学性能及力传感性能

（三）动态力学响应
动态测试在消声室中进行（图3a）。扬声器发出音波，OMC与参考传声器对称放置，输出光信号经光电转换后由示波器记录。OMC在空气中的共振频率约11.6 kHz，品质因子为46.9（液体中为27.6）（补充图15）。声压响应在0~1.52 Pa范围内线性良好，灵敏度为161.2 mV/Pa（图3e），最小可检测声压0.89 mPa。响应范围覆盖10 Hz至10 MHz（图3f），频率分辨率达1 Hz（图3g），综合性能超越已报道的光纤动态传感器（图3 h）。

图3. OMCs的动态机械传感性能

（四）液相中皮牛级动态力传感
将钛酸锶（SrTiO₃）纳米颗粒附着于OMC表面（图4b、4c），在紫外光照射下催化水分解产生微气泡。气泡形成、生长至脱离过程中，OMC实时记录了皮牛级浮力变化及脱离瞬间的信号骤降（图4d、4e），验证了其在液相复杂环境中的动态力检测能力。

图4. 液体中皮牛量级动态力传感

（五）细胞力学检测应用
将大鼠心肌细胞附着于OMC环形区表面（图5b），以电脉冲诱导同步收缩（图5c）。OMC实时记录了不同频率刺激下的收缩幅度与频率（图5d）。同步钙成像中，钙信号上升先于力学收缩，捕捉到“电→化学→机械”的完整响应过程（图5e）。1 μM异丙肾上腺素增强收缩幅度，而超过100 μM则导致节律紊乱（图5g）。非接触模式下，将OMC置于细胞上方约3 μm处，可探测细胞收缩经液体传播的微弱振动波（图5 h），实现了真正意义上的“细胞听诊”（图5i）。

图5. 使用OMCs进行实时细胞力学传感

总结与展望
本研究成功展示了光学微悬臂梁（OMC）这一新型力传感平台，将超灵敏光学相位检测系统集成于微型化微纳光纤干涉结构中，实现了亚皮牛灵敏度（~200 fN）和高达10 MHz的响应频率，在弹簧常数跨度、力分辨率、检测范围和液相兼容性等方面显著优于现有光纤力传感器。OMC兼具抗电磁干扰、透明、生物相容和无需荧光标记等优势，可同步进行力学检测与光学/钙成像，为细胞力学提供了“细胞听诊器”式多参数分析工具。在光催化反应实时监测和心肌细胞收缩定量分析中的成功应用，验证了OMC在液相化学反应、电生理环境等多样场景中的广泛适用性。该技术架起了单分子显微力谱与宏观组织力学测试之间的“介观”桥梁，为力学生物学、药物筛选、组织工程及微机械研究等领域提供了新的研究范式。