超高速視頻級原子力顯微鏡

超高速視頻級原子力顯微鏡--HS-AFM

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM），一種可用來研究包括絕緣體(ti) 在內(nei) 的固體(ti) 材料表麵結構的分析儀(yi) 器。它通過檢測待測樣品表麵和一個(ge) 微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質的表麵結構及性質。將一對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時它將與(yu) 其相互作用，作用力將使得微懸臂發生形變或運動狀態發生變化。掃描樣品時，利用傳(chuan) 感器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，從(cong) 而以納米級分辨率獲得表麵形貌結構信息及表麵粗糙度信息。原子力顯微鏡可以測量材料物理性質、力學性能、磁學性能、熱學性能、電學性能等方麵的一些特征信息，但在掃描成像速度上一直存在局限性，太慢的掃描速度導致原子力顯微鏡無法捕捉到分子間的相互作用過程和一些快速的分子動態變化。

超高速視頻級原子力顯微鏡（High-Speed Atomic Force Microscope，HS-AFM）由日本 Kanazawa 大學 Prof. Ando 教授團隊研發，日本RIBM公司（生體(ti) 分子計測研究所株式會(hui) 社，Research Institute of Biomolecule Metrology Co., Ltd）商業(ye) 化的產(chan) 品，可以達到視頻級成像的商業(ye) 化原子力顯微鏡。HS-AFM突破了傳(chuan) 統原子力顯微鏡“掃描成像速慢”的限製，能夠在液體(ti) 環境下超快速動態成像，分辨率為(wei) 納米水平。樣品無需特殊固定，不影響生物分子的活性，尤其適用於(yu) 生物大分子互作動態觀測。超高速視頻級原子力顯微鏡--HS-AFM主要有兩(liang) 種型號，SS-NEX樣品掃描（Sample-Scanning HS-AFM）以及PS-NEX探針掃描（Probe-Scanning HS-AFM）。推出至今，全球已有100多位用戶，發表 SCI 文章 300 餘(yu) 篇，包括Science, Nature, Cell 等頂級雜誌。

相較於(yu) 目前市場上的原子力顯微鏡成像設備，超高速視頻級原子力顯微鏡--HS-AFM突破了 “掃描成像速慢”的限製，掃描速度高可達 20 frame/s，並且有 4 種掃描台可供選擇。樣品無需特殊固定染色，不影響生物分子的活性，尤其適用於(yu) 生物大分子互作動態觀測。液體(ti) 環境下直接檢測，超快速動態成像，分辨率為(wei) 納米水平。探針小，適用於(yu) 生物樣品；懸臂探針共振頻率高，彈簧係數小，避免了對生物樣品等的損傷(shang) 。懸臂探針可自動漂移校準，適用於(yu) 長時間觀測。采用動態PID控製，高速掃描時仍可獲得清晰的圖像。XY軸分辨率2nm；Z軸分辨率0.5nm。

HS-AFM不僅(jin) 擁有超高掃描速率與(yu) 原子級別分辨率，而且具有操作的簡易性，使得對單分子動態過程的捕捉變得十分方便，為(wei) 科研工作者研所和理解生物物理、生物化學、分子生物學、病毒學以及生物醫學等領域的單分子動態過程提供了一款強大的工具。

全新的HS-AFM采用了新的高頻微懸臂架構，更低噪音、更高穩定性的2控製器，高速掃描器，緩衝(chong) 防震設計，主動阻尼，動態PID，驅動算法優(you) 化，多種前沿技術，可以實現在超高速下獲取高分辨的生物樣品信息。新係統整合了基於(yu) 工作流程的操作軟件，直觀的用戶界麵與(yu) 流程化、自動化的設置使得研究人員可以專(zhuan) 注於(yu) 實驗設計，不需要複雜的操作和條件設置，快速獲取數據，加速研究的產(chan) 出。

日本RIBM公司的超高速視頻級原子力顯微鏡HS-AFM的創新點：

★   高頻微懸臂

彈性係數:   0.1 N/m  

曲率半徑:<10 nm　

共振頻率:   400-600kHz in liquid

★   高速掃描台

20 frames/s.   (Standard scanner)

★   緩衝(chong) 防震+主動阻尼+動態PID+算法優(you) 化

緩衝(chong) 防震

主動阻尼

動態PID控製：可自動改變反饋增益，保證了HS-AFM在高速掃描條件下仍可獲得清晰的圖像

探針自動漂移校準，適用於(yu) 長時間樣品觀測

日本RIBM公司的超高速視頻級原子力顯微鏡HS-AFM的的應用領域：

從(cong) 單分子到單細胞，都可直接觀測

1、肌動蛋白

2、CRISPR-Cas9

3、膜聯蛋白

4、IgG

5、活細胞

6、細菌視紫紅質

7、DNA納米結構

8、仿生聚合物

日本RIBM公司的超高速視頻級原子力顯微鏡HS-AFM的視頻案例

1：IgG

在溶液中觀察到抗體(ti) (IgG)。

IgG呈"Y"形，兩(liang) 個(ge) Fab區區分清晰。

由於(yu) 錨定能力較弱，IgG保持其抗原結合能力。

2：Plasmid DNA

傳(chuan) 統AFM在沒有強錨定的情況下，DNA分子圖像出現擺動。

然而，強錨定可能會(hui) 削弱真實的結構和行為(wei) 。

HS-AFM能清晰顯示質粒的結構和運動，無強錨定。

3：DNA內(nei) 切酶的消化：DNase I

DNA酶I是一種隨機消化DNA的核酸內(nei) 切酶。視頻中的箭頭表示DNase I消化DNA的部分。

請參考從(cong) DNA末端消化的核酸外切酶Bal31的視頻。

4：DNA外切酶消化：Bal31

Bal31是一種從(cong) DNA鏈末端消化DNA的核酸外切酶。

視頻顯示Bal31的活性沿著DNA移動，並逐漸從(cong) DNA鏈的末端消化。

最後，DNA分子被消化，但環狀DNA未被消化。高光點是Bal31分子，它們(men) 與(yu) DNA的不同位置結合。

5：DNA聚合酶的DNA延伸：Phi29

雙鏈DNA(黃色)隨著時間的推移而拉長。單鏈λDNA作為(wei) 模具固定在基板上。

由於(yu) 從(cong) 隨機六聚體(ti) 引物(Red)結合到λDNA模體(ti) ，phi29聚合酶(Black)以dNTP為(wei) 底物合成互補DNA。

6：鏈親(qin) 和素2D晶體(ti) 中的點缺陷

成功地觀察到點缺陷在晶體(ti) 中的擴散。

從(cong) 圖像上看，兩(liang) 個(ge) 單空位缺陷的軌跡跟蹤相對於(yu) 晶格的兩(liang) 個(ge) 軸是明顯的各向異性的。

日本RIBM公司的超高速視頻級原子力顯微鏡HS-AFM的文獻列表