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在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。它通過檢測待測樣品表面和一個(gè)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(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。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(shí)它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。掃描樣品時(shí)，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級分辨率獲得表面形貌結(jié)構(gòu)信息及表面粗糙度信息。原子力顯微鏡可以測量材料物理性質(zhì)、力學(xué)性能、磁學(xué)性能、熱學(xué)性能、電學(xué)性能等方面的一些特征信息，但在掃描成像速度上一直存在局限性，太慢的掃描速度導(dǎo)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(dòng)態(tài)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(xué) Prof. Ando 教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)，日本RIBM公司（生體分子計(jì)測研究所株式會(huì)社，Research Institute of Biomolecule Metrology Co., Ltd）商業(yè)化的產(chǎn)品，可以達(dá)到視頻級成像的商業(yè)化原子力顯微鏡。HS-AFM突破了傳統(tǒng)原子力顯微鏡“掃描成像速慢"的限制，能夠在液體環(huán)境下超快速動(dòng)態(tài)成像，分辨率為納米水平。樣品無需特殊固定，不影響生物分子的活性，尤其適用于生物大分子互作動(dòng)態(tài)觀測。超高速視頻級原子力顯微鏡--HS-AFM主要有兩種型號，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，*已有100多位用戶，發(fā)表 SCI 文章 300 余篇，包括Science, Nature, Cell 等頂級雜志。

相較于目前市場上的原子力顯微鏡成像設(shè)備，超高速視頻級原子力顯微鏡--HS-AFM突破了 “掃描成像速慢"的限制，掃描速度高可達(dá) 20 frame/s，并且有 4 種掃描臺可供選擇。樣品無需特殊固定染色，不影響生物分子的活性，尤其適用于生物大分子互作動(dòng)態(tài)觀測。液體環(huán)境下直接檢測，超快速動(dòng)態(tài)成像，分辨率為納米水平。探針小，適用于生物樣品；懸臂探針共振頻率高，彈簧系數(shù)小，避免了對生物樣品等的損傷。懸臂探針可自動(dòng)漂移校準(zhǔn)，適用于長時(shí)間觀測。采用動(dòng)態(tài)PID控制，高速掃描時(shí)仍可獲得清晰的圖像。XY軸分辨率2nm；Z軸分辨率0.5nm。

HS-AFM不僅擁有超高掃描速率與原子級別分辨率，而且具有操作的簡易性，使得對單分子動(dòng)態(tài)過程的捕捉變得十分方便，為科研工作者研所和理解生物物理、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、病毒學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的單分子動(dòng)態(tài)過程提供了一款強(qiáng)大的工具。

全新的HS-AFM采用了新的高頻微懸臂架構(gòu)，更低噪音、更高穩(wěn)定性的2控制器，高速掃描器，緩沖防震設(shè)計(jì)，主動(dòng)阻尼，動(dòng)態(tài)PID，驅(qū)動(dòng)算法優(yōu)化，多種前沿技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在超高速下獲取高分辨的生物樣品信息。新系統(tǒng)整合了基于工作流程的操作軟件，直觀的用戶界面與流程化、自動(dòng)化的設(shè)置使得研究人員可以專注于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不需要復(fù)雜的操作和條件設(shè)置，快速獲取數(shù)據(jù)，加速研究的產(chǎn)出。

日本RIBM公司的超高速視頻級原子力顯微鏡HS-AFM的創(chuàng)新點(diǎn)：

★   高頻微懸臂

彈性系數(shù):   0.1 N/m  

曲率半徑:<10 nm　

共振頻率:   400-600kHz in liquid

★   高速掃描臺

20 frames/s.   (Standard scanner)

★   緩沖防震+主動(dòng)阻尼+動(dòng)態(tài)PID+算法優(yōu)化

緩沖防震

主動(dòng)阻尼

動(dòng)態(tài)PID控制：可自動(dòng)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(dòng)漂移校準(zhǔn)，適用于長時(shí)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(yīng)用領(lǐng)域：

從單分子到單細(xì)胞，都可直接觀測

1、肌動(dòng)蛋白

2、CRISPR-Cas9

3、膜聯(lián)蛋白

4、IgG

5、活細(xì)胞

6、細(xì)菌視紫紅質(zhì)

7、DNA納米結(jié)構(gòu)

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(IgG)。

IgG呈"Y"形，兩個(gè)Fab區(qū)區(qū)分清晰。

由于錨定能力較弱，IgG保持其抗原結(jié)合能力。

2：Plasmid DNA

傳統(tǒng)AFM在沒有強(qiáng)錨定的情況下，DNA分子圖像出現(xiàn)擺動(dòng)。

然而，強(qiáng)錨定可能會(huì)削弱真實(shí)的結(jié)構(gòu)和行為。

HS-AFM能清晰顯示質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，無強(qiáng)錨定。

3：DNA內(nèi)切酶的消化：DNase I

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

請參考從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(dòng)，并逐漸從DNA鏈的末端消化。

最后，DNA分子被消化，但環(huán)狀DNA未被消化。高光點(diǎn)是Bal31分子，它們與DNA的不同位置結(jié)合。

5：DNA聚合酶的DNA延伸：Phi29

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

由于從隨機(jī)六聚體引物(Red)結(jié)合到λDNA模體，phi29聚合酶(Black)以dNTP為底物合成互補(bǔ)DNA。

6：鏈親和素2D晶體中的點(diǎn)缺陷

成功地觀察到點(diǎn)缺陷在晶體中的擴(kuò)散。

從圖像上看，兩個(gè)單空位缺陷的軌跡跟蹤相對于晶格的兩個(gè)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(xiàn)列表