高精度壓電納米位移臺：AFM顯微鏡的精密導(dǎo)航系統(tǒng)

為生物納米研究提供終極定位解決方案

在原子力顯微鏡（AFM）研究中，您是否常被這些問題困擾？
→樣品定位耗時過長，錯過關(guān)鍵動態(tài)過程？
→掃描圖像漂移失真，數(shù)據(jù)重復(fù)性差？
→傳統(tǒng)位移臺精度不足，無法滿足納米級研究需求？
高精度壓電納米位移臺正是解決這些痛點的終極答案——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（Piezoelectric Stage）與原子力顯微鏡（AFM）的結(jié)合形成了“高精度定位”與“納米級探測”的協(xié)同關(guān)系，顯著提升了AFM在生物樣本成像、力學(xué)測量和動態(tài)過程研究中的能力。

壓電位移臺與原子力顯微鏡（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)測量以及動態(tài)生物過程觀測等方面。

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

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

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，實時觀察F?-ATPase酶的旋轉(zhuǎn)催化作用，時間分辨率達毫秒級。

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

2

單分子力學(xué)測量（力譜分析）

案例：蛋白質(zhì)折疊、細胞力學(xué)特性測量

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

Keir[3]等人利用AFM結(jié)合壓電位移臺在單分子力學(xué)測量中的應(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，研究纖維連接蛋白（fibronectin）的機械去折疊過程。

長春理工大學(xué)王作斌老師[5]團隊研究使用原子力顯微鏡（AFM）對細胞進行形態(tài)學(xué)和生物力學(xué)特性分析，觀察全氟醇處理對細胞形態(tài)和彈性模量的影響。

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

壓電納米位移臺在活細胞彈性模量測量實驗中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在測量活細胞的力- 位移曲線時，實驗裝置里樣品臺是固定的，壓電納米位移臺會帶動AFM（原子力顯微鏡）探針在z方向朝著樣品臺移動，以此來實現(xiàn)掃描和壓痕功能。在壓痕過程中，AFM探針作為壓頭，通過壓電位移臺的移動施加壓痕力到柔性懸臂上，從而完成對活細胞的壓痕操作，進而獲取相關(guān)數(shù)據(jù)用于計算活細胞的彈性模量。

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

3

活細胞動態(tài)觀測

案例：細菌運動、細胞膜動態(tài)變化

高速壓電位移臺使AFM能在液體環(huán)境中實時觀測活細胞的動態(tài)行為，如細菌游動、細胞膜重塑等。

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

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

同時，F(xiàn)antnerGE,Barbero[7]等人利用高速AFM觀測細菌（如大腸桿菌）在表面的運動行為。

HS-AFM技術(shù)特點

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)境下進行超快速動態(tài)成像，分辨率達到納米水平。其探針小且懸臂探針共振頻率高，避免了對生物樣品的損傷，特別適用于生物大分子互作的動態(tài)觀測。HS-AFM的掃描速度可達20幀/秒，XY軸分辨率為2納米，Z軸分辨率為0.5納米。

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

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

中國科學(xué)院上海核研究所與薩朗大學(xué)[8]利用掃描力顯微鏡對單個生物分子進行操縱，對單個DNA分子進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探針和壓電位移臺對單個DNA分子進行切割、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、蛋白質(zhì)分子的排列等。

5

生物傳感器與分子識別

案例：抗原-抗體相互作用、分子識別力測量

壓電位移臺可用于高精度力曲線測量，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力譜對分子相互作用的研究如細胞粘附、藥物靶點檢測；測量單個抗體-抗原對的結(jié)合力，研究免疫識別機制。

壓電位移臺與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)、細胞膜）
單分子力學(xué)測量（蛋白質(zhì)去折疊、細胞力學(xué)）
活細胞動態(tài)觀測（細菌運動、細胞骨架變化）
納米操縱（DNA折疊、分子組裝）
分子識別（抗原-抗體、受體-配體相互作用）

這些研究推動了生物物理學(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”公司高精度納米級壓電位移平臺系列產(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“PIEZOCONCEPT”在生物領(lǐng)域產(chǎn)品進行詳細的介紹：

1.PIEZOCONCEPT單軸位移平臺

PIEZOCONCEPT單軸位移平臺產(chǎn)品是可以在單個維度上提供精確定位的產(chǎn)品，主要包含Z軸壓電平臺、物鏡掃描臺。其中Z軸位移臺Z-INSERT的美妙之處在于它適合每個標(biāo)準(zhǔn)的160mm x 110mm開口（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

2.XY兩軸位移平臺/XYZ三軸位移平臺

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

XY軸壓電平臺

XYZ軸壓電平臺

3.多軸位移臺

五軸位移臺核心參數(shù) 行程100100100um (X, Y, Z, Theta(X), Theta(Y)) 1.11.5mrad 2.33.0mrad 3.54.5mrad	六軸位移臺核心參數(shù) 行程100-300um (X, Y, Z, Theta(X), Theta(Y), Theta(Z)). 1.11.55mrad 2.33.05mrad 3.54.55mrad

4. PIEZOCONCEPT位移臺獨特優(yōu)勢

昊量光電推出“PIEZOCONCEPT”高精度單軸、雙軸、三軸以及多軸納米級壓電位移臺、物鏡掃描臺、快反鏡系列產(chǎn)品；該壓電平臺以壓電陶瓷為驅(qū)動，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，同時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，亞納米級的分辨率，超低底噪（10-50pm）和超高線性度（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.壓電位移臺在AFM檢測中的優(yōu)點：

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

2.快速響應(yīng)：高頻響應(yīng)的壓電驅(qū)動器支持動態(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)壓電位移臺可補償蠕變和遲滯，提升掃描準(zhǔn)確性。

結(jié)合使用的典型場景

（1）大范圍掃描與高分辨率成像

多尺度成像：例如在生物檢測中，先快速定位感興趣區(qū)域，再進行納米級細節(jié)掃描。

（2）三維納米操縱與力譜測量

精準(zhǔn)力控：壓電位移臺控制樣品與探針的相對位置，實現(xiàn)單分子/單細胞的力學(xué)特性測量（如彈性模量、粘附力）。

動態(tài)力曲線：通過壓電臺的快速Z軸位移，實現(xiàn)高頻力曲線采集，研究生物分子間相互作用。

（3）原位實驗與環(huán)境控制

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

當(dāng)AFM遇見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，更是打開生命微觀奧秘的精準(zhǔn)鑰匙，詳情請咨詢昊量光電。

法國PIEZOCONCEPT壓電納米平移臺

PIEZOCONCEPT是納米壓電位移平臺的領(lǐng)先供應(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)品已被全球頂尖高校和從事前沿研究的科學(xué)家使用。

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

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

上海昊量光電作為PIEZOCONCEPT在中國大陸地區(qū)獨家代理商，為您提供專業(yè)的選型以及技術(shù)服務(wù)。

參考文獻：

[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)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)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, 4510.1016/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)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)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)10.1021/bi200147a.