超高速視頻級(jí)原子力顯微鏡--HS-AFM

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM），一種可用來(lái)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(cè)待測(cè)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(lái)研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。將一對(duì)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(cè)這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級(jí)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(cè)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(wú)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(jí)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(cè)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(jí)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(wú)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(cè)。超高速視頻級(jí)原子力顯微鏡--HS-AFM主要有兩種型號(hào)，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(jí)雜志。

相較于目前市場(chǎng)上的原子力顯微鏡成像設(shè)備，超高速視頻級(jí)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(tái)可供選擇。樣品無(wú)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(cè)。液體環(huán)境下直接檢測(cè)，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(duì)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(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)。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(jí)別分辨率，而且具有操作的簡(jiǎn)易性，使得對(duì)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(jí)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(tái)

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(zhǎng)時(shí)間樣品觀測(cè)

日本RIBM公司的超高速視頻級(jí)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(cè)

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(jí)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(wú)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(qǐng)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(zhǎng)。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(duì)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(jí)原子力顯微鏡HS-AFM的文獻(xiàn)列表