高精度壓電納米位移臺(tái)：AFM顯微鏡的精密導(dǎo)航系統(tǒng)

——為生物納米研究提供定位解決方案

在原子力顯微鏡（AFM）研究中，您是否常被這些問(wèn)題困擾？
→ 樣品定位耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，錯(cuò)過(guò)關(guān)鍵動(dòng)態(tài)過(guò)程？
→ 掃描圖像漂移失真，數(shù)據(jù)重復(fù)性差？
→ 傳統(tǒng)位移臺(tái)精度不足，無(wú)法滿(mǎn)足納米級(jí)研究需求？
高精度壓電納米位移臺(tái)正是解決這些痛點(diǎn)的答案——它如同AFM的‘超精密導(dǎo)航系統(tǒng)’，讓納米探索穩(wěn)、準(zhǔn)、快！"

在生物領(lǐng)域，壓電位移臺(tái)（Piezoelectric Stage）與原子力顯微鏡（AFM）的結(jié)合形成了“高精度定位"與“納米級(jí)探測(cè)"的協(xié)同關(guān)系，顯著提升了AFM在生物樣本成像、力學(xué)測(cè)量和動(dòng)態(tài)過(guò)程研究中的能力。

壓電位移臺(tái)與原子力顯微鏡（AFM）的結(jié)合在生物領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在高分辨率成像、納米操縱、單分子力學(xué)測(cè)量以及動(dòng)態(tài)生物過(guò)程觀測(cè)等方面。

1. 高分辨率生物分子成像

案例：DNA和蛋白質(zhì)的高清形貌掃描

壓電位移臺(tái)提供穩(wěn)定的納米級(jí)定位，使AFM能夠?qū)ι锎蠓肿樱ㄈ鏒NA、蛋白質(zhì)、膜蛋白）進(jìn)行高分辨率成像。

名古屋大學(xué)生物原子力探針前沿研究中心[1]，利用高速AFM（HS-AFM）結(jié)合壓電掃描臺(tái)，實(shí)時(shí)觀察F?-ATPase酶的旋轉(zhuǎn)催化作用，時(shí)間分辨率達(dá)毫秒級(jí)。

加州大學(xué)生物科學(xué)系[2]，在早期AFM研究，使用壓電位移臺(tái)在液體環(huán)境中對(duì)DNA進(jìn)行高分辨率成像。

2. 單分子力學(xué)測(cè)量（力譜分析）

案例：蛋白質(zhì)折疊、細(xì)胞力學(xué)特性測(cè)量

壓電位移臺(tái)可精確控制探針-樣品距離，用于測(cè)量生物分子的力學(xué)特性（如彈性、粘附力、結(jié)合力）。

Keir[3]等人利用AFM結(jié)合壓電位移臺(tái)在單分子力學(xué)測(cè)量中的應(yīng)用，如蛋白質(zhì)去折疊、DNA拉伸等。

哥倫比亞大學(xué)生物科學(xué)系Lewyn Li等人[4]利用AFM力譜技術(shù)結(jié)合壓電位移臺(tái)，研究纖維連接蛋白（fibronectin）的機(jī)械去折疊過(guò)程。

長(zhǎng)春理工大學(xué)王作斌老師[5]團(tuán)隊(duì)研究使用原子力顯微鏡（AFM）對(duì)細(xì)胞進(jìn)行形態(tài)學(xué)和生物力學(xué)特性分析，觀察全氟醇處理對(duì)細(xì)胞形態(tài)和彈性模量的影響。

數(shù)據(jù)圖片來(lái)源于王作斌老師[5]文章AFM-based study of fullerenol (C60(OH)24)-induced changes of elasticity in living SMCC-7721 cells

壓電納米位移臺(tái)在活細(xì)胞彈性模量測(cè)量實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在測(cè)量活細(xì)胞的力 - 位移曲線(xiàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置里樣品臺(tái)是固定的，壓電納米位移臺(tái)會(huì)帶動(dòng)AFM（原子力顯微鏡）探針在z方向朝著樣品臺(tái)移動(dòng)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)掃描和壓痕功能。在壓痕過(guò)程中，AFM探針作為壓頭，通過(guò)壓電位移臺(tái)的移動(dòng)施加壓痕力到柔性懸臂上，從而完成對(duì)活細(xì)胞的壓痕操作，進(jìn)而獲取相關(guān)數(shù)據(jù)用于計(jì)算活細(xì)胞的彈性模量。 

數(shù)據(jù)圖片來(lái)源于王作斌老師[5]文章AFM-based study of fullerenol (C60(OH)24)-induced changes of elasticity in living SMCC-7721 cells

3. 活細(xì)胞動(dòng)態(tài)觀測(cè)

案例：細(xì)菌運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞膜動(dòng)態(tài)變化

高速壓電位移臺(tái)使AFM能在液體環(huán)境中實(shí)時(shí)觀測(cè)活細(xì)胞的動(dòng)態(tài)行為，如細(xì)菌游動(dòng)、細(xì)胞膜重塑等。

Shin Morioka等研究人員[6]使用HS-AFM技術(shù)觀察了無(wú)N-末端尾的核小體在單分子水平上的動(dòng)態(tài)行為。具體來(lái)說(shuō)，他們研究了無(wú)尾核小體在滑動(dòng)和DNA解旋/纏繞過(guò)程中的變化，并比較了無(wú)尾核小體與野生型核小體的差異。

在研究過(guò)程中?結(jié)合高速AFM和壓電位移臺(tái)，觀測(cè)活細(xì)胞內(nèi)肌動(dòng)蛋白（actin）的動(dòng)態(tài)重組過(guò)程。HS-AFM是一種能夠在液體環(huán)境下進(jìn)行超快速動(dòng)態(tài)成像的技術(shù)，具有納米級(jí)別的分辨率，特別適用于生物大分子互作的動(dòng)態(tài)觀測(cè)。通過(guò)HS-AFM，研究人員能夠?qū)崟r(shí)觀察肌動(dòng)蛋白骨架的組裝和拆卸過(guò)程，以及其在細(xì)胞內(nèi)的動(dòng)態(tài)行為。

同時(shí)，F(xiàn)antner GE,Barbero[7]等人利用高速AFM觀測(cè)細(xì)菌（如大腸桿菌）在表面的運(yùn)動(dòng)行為。

HS-AFM技術(shù)特點(diǎn)

HS-AFM突破了傳統(tǒng)原子力顯微鏡掃描成像速度慢的限制，能夠在液體環(huán)境下進(jìn)行超快速動(dòng)態(tài)成像，分辨率達(dá)到納米水平。其探針小且懸臂探針共振頻率高，避免了對(duì)生物樣品的損傷，特別適用于生物大分子互作的動(dòng)態(tài)觀測(cè)。HS-AFM的掃描速度可達(dá)20幀/秒，XY軸分辨率為2納米，Z軸分辨率為0.5納米。

圖片來(lái)源于Shin Morioka[6]團(tuán)隊(duì)High-Speed Atomic Force Microscopy Reveals the Nucleosome Sliding and DNA Unwrapping/Wrapping Dynamics of Tail-less Nucleosomes

4. 納米操縱與生物分子組裝

案例：DNA納米結(jié)構(gòu)組裝、分子操縱

壓電位移臺(tái)可精確控制AFM探針進(jìn)行納米操縱，如推動(dòng)DNA分子、構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)等。

中國(guó)科學(xué)院上海核研究所與薩朗大學(xué)[8]利用掃描力顯微鏡對(duì)單個(gè)生物分子進(jìn)行操縱，對(duì)單個(gè)DNA分子進(jìn)行操縱以及基于單分子操縱和結(jié)構(gòu)表征的一些可能的應(yīng)用。其中利用AFM探針和壓電位移臺(tái)對(duì)單個(gè)DNA分子進(jìn)行切割、折疊和定位。AFM[9]在生物分子操縱中的應(yīng)用還有如病毒顆粒的移動(dòng)、蛋白質(zhì)分子的排列等。

5. 生物傳感器與分子識(shí)別

案例：抗原-抗體相互作用、分子識(shí)別力測(cè)量

壓電位移臺(tái)可用于高精度力曲線(xiàn)測(cè)量，研究分子間特異性結(jié)合（如抗體-抗原、受體-配體）。相關(guān)研究[10-11]如AFM力譜對(duì)分子相互作用的研究如細(xì)胞粘附、藥物靶點(diǎn)檢測(cè)；測(cè)量單個(gè)抗體-抗原對(duì)的結(jié)合力，研究免疫識(shí)別機(jī)制。

壓電位移臺(tái)與AFM的結(jié)合在生物領(lǐng)域的關(guān)鍵應(yīng)用包括：

? 高分辨率成像（DNA、蛋白質(zhì)、細(xì)胞膜）
? 單分子力學(xué)測(cè)量（蛋白質(zhì)去折疊、細(xì)胞力學(xué)）
? 活細(xì)胞動(dòng)態(tài)觀測(cè)（細(xì)菌運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞骨架變化）
? 納米操縱（DNA折疊、分子組裝）
? 分子識(shí)別（抗原-抗體、受體-配體相互作用）

這些研究推動(dòng)了生物物理學(xué)、納米醫(yī)學(xué)和分子生物學(xué)的發(fā)展。

昊量光電推出“PIEZOCONCEPT"公司高精度納米級(jí)壓電位移平臺(tái)系列產(chǎn)品，它的產(chǎn)品如同AFM的‘超精密導(dǎo)航系統(tǒng)’，讓納米探索穩(wěn)、準(zhǔn)、快！"

下面對(duì)“PIEZOCONCEPT"在生物領(lǐng)域產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)的介紹：

1.PIEZOCONCEPT單軸位移平臺(tái)

PIEZOCONCEPT單軸位移平臺(tái)產(chǎn)品是可以在單個(gè)維度上提供精確定位的產(chǎn)品，主要包含Z軸壓電平臺(tái)、物鏡掃描臺(tái)。其中Z軸位移臺(tái)Z-INSERT的美妙之處在于它適合每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的160mm x 110mm開(kāi)口（k型框架）。兼容ASI、Marzhauzer、Prior、Ludl 、Zeiss、Nikon、Olympus、Leica等所有品牌。

Z-INSERT還與大多數(shù)頂部安裝的孵化室（Digital Pixel, Tokai Hit, Okolab）兼容。

Z軸產(chǎn)品圖片

一維掃描平臺(tái)

2.XY兩軸位移平臺(tái)/XYZ三軸位移平臺(tái)

兩軸壓電平臺(tái)可以提供兩個(gè)維度上的平移或偏轉(zhuǎn)，主要包括XY二維壓電納米位移臺(tái)

XY軸壓電平臺(tái)

XYZ軸壓電平臺(tái)

3.多軸位移臺(tái)

4. PIEZOCONCEPT位移臺(tái)優(yōu)勢(shì)

昊量光電推出“PIEZOCONCEPT"高精度單軸、雙軸、三軸以及多軸納米級(jí)壓電位移臺(tái)、物鏡掃描臺(tái)、快反鏡系列產(chǎn)品；該壓電平臺(tái)以壓電陶瓷為驅(qū)動(dòng)，采用了柔性鉸鏈連接的方法，具備精確導(dǎo)向性、高穩(wěn)定性、高抗疲勞性的特點(diǎn)，同時(shí)搭配高精度硅基位移傳感器、16Bit高分辨率高速控制器，具有高響應(yīng)速度，亞納米級(jí)的分辨率，超低底噪（10-50pm）和超高線(xiàn)性度（0.02%），廣泛應(yīng)用于高精密位移領(lǐng)域，包括但不局限于半導(dǎo)體領(lǐng)域。

5.壓電位移臺(tái)在AFM檢測(cè)中的優(yōu)點(diǎn)：

1.高精度定位：壓電陶瓷的納米級(jí)分辨率（亞納米級(jí)）可實(shí)現(xiàn)AFM探針的精確操控，適用于原子級(jí)表面形貌掃描。

2.快速響應(yīng)：高頻響應(yīng)的壓電驅(qū)動(dòng)器支持動(dòng)態(tài)模式（如輕敲模式或高速AFM），減少圖像失真。

3.閉環(huán)控制：集成傳感器的閉環(huán)壓電位移臺(tái)可補(bǔ)償蠕變和遲滯，提升掃描準(zhǔn)確性。

結(jié)合使用的典型場(chǎng)景

（1）大范圍掃描與高分辨率成像

多尺度成像：例如在生物檢測(cè)中，先快速定位感興趣區(qū)域，再進(jìn)行納米級(jí)細(xì)節(jié)掃描。

（2）三維納米操縱與力譜測(cè)量

精準(zhǔn)力控：壓電位移臺(tái)控制樣品與探針的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)單分子/單細(xì)胞的力學(xué)特性測(cè)量（如彈性模量、粘附力）。

動(dòng)態(tài)力曲線(xiàn)：通過(guò)壓電臺(tái)的快速Z軸位移，實(shí)現(xiàn)高頻力曲線(xiàn)采集，研究生物分子間相互作用。

（3）原位實(shí)驗(yàn)與環(huán)境控制

高溫/低溫AFM：壓電臺(tái)的耐溫穩(wěn)定性支持ji端環(huán)境下的樣品定位與掃描。

當(dāng)AFM遇見(jiàn)PIEZOCONCEPT，納米生物研究將不再受限于設(shè)備的物理邊界。我們提供的不僅是位移臺(tái)，更是打開(kāi)生命微觀奧秘的精準(zhǔn)鑰匙。

關(guān)于生產(chǎn)商：

法國(guó)PIEZOCONCEPT壓電納米平移臺(tái)

PIEZOCONCEPT是納米壓電位移平臺(tái)的供應(yīng)商，產(chǎn)品應(yīng)用包括但不限于超分辨率顯微鏡、光學(xué)捕獲和原子力顯微鏡。產(chǎn)品已被頂尖高校和從事前沿研究的科學(xué)家使用。

多年來(lái)，電容式傳感器一直占據(jù)著市場(chǎng)主導(dǎo)地位。不幸的是，這項(xiàng)技術(shù)顯示出了一些局限性。為了滿(mǎn)足現(xiàn)代顯微鏡技術(shù)對(duì)分辨率的更高要求，PIEZOCONCEPT自行創(chuàng)建了一種實(shí)現(xiàn)更大穩(wěn)定性和線(xiàn)性度的新方法。

PIEZOCONCEPT的目標(biāo)是找到一個(gè)優(yōu)雅、經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，以提供準(zhǔn)確和穩(wěn)定的定位。其開(kāi)發(fā)了一系列超穩(wěn)定納米位移平臺(tái)，用于多種應(yīng)用，與市場(chǎng)上已有的產(chǎn)品相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。它的硅基傳感器技術(shù)提供了這樣的優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)優(yōu)于電容傳感器與金屬傳感器。通過(guò)簡(jiǎn)單而高效的柔性設(shè)計(jì)和超低噪聲電子器件，PIEZOCONCEPT的壓電平臺(tái)提供皮米級(jí)穩(wěn)定性和亞納米級(jí)(或亞納米弧度)噪聲基底。

上海昊量光電作為PIEZOCONCEPT在中國(guó)大陸地區(qū)獨(dú)代，為您提供專(zhuān)業(yè)的選型以及技術(shù)服務(wù)。對(duì)于PIEZOCONCEPT產(chǎn)品有興趣或者任何問(wèn)題，都?xì)g迎通過(guò)電話(huà)、電子郵件或者微信與我們聯(lián)系。

歡迎繼續(xù)關(guān)注上海昊量光電的各大媒體平臺(tái)，我們將不定期推出各種產(chǎn)品介紹與技術(shù)新聞。

關(guān)于昊量光電：

上海昊量光電設(shè)備有限公司是光電產(chǎn)品專(zhuān)業(yè)代理商，產(chǎn)品包括各類(lèi)激光器、光電調(diào)制器、光學(xué)測(cè)量設(shè)備、光學(xué)元件等，涉及應(yīng)用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫(yī)療、科學(xué)研究、國(guó)防、量子光學(xué)、生物顯微、物聯(lián)傳感、激光制造等；可為客戶(hù)提供完整的設(shè)備安裝，培訓(xùn)，硬件開(kāi)發(fā)，軟件開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)集成等服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Ando T , Uchihashi T , Kodera N ,et al.High-speed AFM and nano-visualization of biomolecular processes[J].Pflügers Archiv European Journal of Physiology, 2008.DOI:10.1007/s00424-007-0406-0.

[2] Hansma H G , Magdalena B , Frederic Z ,et al.Atomic force microscopy of DNA in aqueous solutions.[J].Nucleic Acids Research, 1993(3):505-512.DOI:10.1093/nar/21.3.505.

[3] Keir,C,Neuman,et al.Single-molecule force spectroscopy: optical tweezers, magnetic tweezers and atomic force microscopy.[J].Nature Methods, 2008.DOI:10.1038/nmeth.1218.

[4]  Li L , Huang H L , Badilla C L ,et al.Mechanical unfolding intermediates observed by single-molecule force spectroscopy in a fibronectin type III module.[J].Journal of Molecular Biology, 2005, 345(4):817-826.DOI:10.1016/j.jmb.2004.11.021.

[5]  Liu Y , Wang Z , Wang X .AFM-based study of fullerenol (C60(OH)24)-induced changes of elasticity in living SMCC-7721 cells[J].J Mech Behav Biomed Mater, 2015, 45:65-74.DOI:10.1016/j.jmbbm.2014.12.011.

[6] High-Speed Atomic Force Microscopy Reveals the Nucleosome Sliding and DNA Unwrapping/Wrapping Dynamics of Tail-less Nucleosomes[J].Nano Letters, 2024, 24(17):5246-5254.DOI:10.1021/acs.nanolett.4c00801.

[7] Fantner GE,Barbero,et al.Imaging Bacterial Cell Death Induced by Antimicrobial Peptides in Real Time Using High Speed AFM[J].Microscopy & Microanalysis, 2010.DOI:10.1017/s1431927610062422.

[8] J,Hu,Y,et al.Nanomanipulation of single DNA molecules and its applications[J].Surface & Interface Analysis, 2004.DOI:10.1002/sia.1666.

[9]  Iwata F , Mizuguchi Y , Ko H ,et al.Nanomanipulation of biological samples using a compact atomic force microscope under scanning electron microscope observation[J].Journal of Electron Microscopy, 2011, 60(6):359.DOI:10.1093/jmicro/dfr070.

[10]  Hugel T , Seitz M .The Study of Molecular Interactions by AFM Force Spectroscopy.[J].ChemInform, 2002, 33.DOI:10.1002/CHIN.200207299.

[11] Bo-Hyun Kim, Nicholas Y. Palermo, Sndor Lovas, Tatiana Zaikova, John F. W. Keana, and Yuri L. Lyubchenko.Single-molecule atomic force microscopy force spectroscopy study of Aβ-40 interactions.[J].Biochemistry, 2011, 50(23):5154-62.DOI:10.1021/bi200147a.