更快、更少侵入性的原子力显微镜技术AFM

金泽大学的研究人员报道了一种新开发的用于成像生物样品和过程的原子力显微镜方法。该方法具有较高的帧率和较小的样本干扰。

　　

 

   

图像:(a)光栅扫描:样品阶段的追踪扫描(红线)和回描扫描(蓝线

图片来源： KANAZAWA UNIVERSITY

高速原子力显微镜(HS-AFM，High-speed atomic force microscopy)是一种成像技术，可用于生物进程——如蛋白质活性的可视化。现在，典型的HS-AFM帧率高达每秒12帧。为了提高该方法的性能，使其能够应用于更大范围的生物样本，需要更好的视频速度（ video rate）。此外，更快的记录时间意味着tip扫描样品表面过程中，样品和探针之间的相互作用更少——这使得成像过程的侵入性更小。现在，金泽大学（Kanazawa University）纳米生命科学研究所(wfi - nanoLSI)的Shingo Fukuda和Toshio Ando开发了一种替代的HS-AFM方法，可以将帧率提高到每秒30帧。

AFM图像是通过在样品表面上方、垂直于样品的表面方向移动一个tip，由于tip尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，在扫描时控制力的恒定，对应于tip与样品表面原子间作用力的等位面做起伏运动，利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。具体说，就是在xy平面扫描运动中，tip在垂直xy平面(z坐标)方向上的位置将遵循样本的高度剖面。tip的z坐标的变化产生高度映射——样本的图像。

Fukuda和Ando以调幅模式（ amplitude-modulation mode，振幅像，轻敲模式）研究HS-AFM。使tip以设定的振幅振荡。扫描表面时，振荡幅值会因样品结构高度的变化而变化。为了回到原来的振幅，需要对针尖-样本距离进行校正。需要多大的修正量与样品表面的拓扑结构有关，由所谓的设置反馈控制误差决定。科学家们注意到，当tip向相反的方向移动时，反馈控制误差是不同的，这被称为tracing和retracing。这种差异最终是由于当tip被“拉”(tracing)和被“推”(retracing)时不同的物理力在起作用。

基于他们对tracing和retracing过程的物理学见解，Fukuda和Ando开发了一种绕过retracing的成像系统。研究人员在肌动蛋白丝样品（肌动蛋白是细胞中很常见的一种蛋白质）上测试了他们的only tracing成像模式。这种成像模式不仅更快，而且侵入性也更小——纤维断裂的频率更低。他们也记录了蛋白质相互作用聚合过程，再次发现该方法比标准的AFM tracing-retracing操作更快和更少的干扰。科学家们相信，他们的“简单而高效的方法将很快安装在现有的和即将到来的HS-AFM系统中，并将在生物物理学和其他领域广泛改进HS-AFM成像研究。”

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