高精度壓電納米位移臺：AFM顯微鏡的精密導航系統

——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，您是否常被這些問題困擾？
→ 樣品定位耗時過長，錯過關鍵動態過程？
→ 掃描圖像漂移失真，數據重復性差？
→ 傳統位移臺精度不足，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答案——它如同AFM的‘超精密導航系統’，讓納米探索穩、準、快！"

在生物領域，壓電位移臺（Piezoelectric Stage）與原子力顯微鏡（AFM）的結合形成了“高精度定位”與“納米級探測”的協同關系，顯著提升了AFM在生物樣本成像、力學測量和動態過程研究中的能力。

壓電位移臺與原子力顯微鏡（AFM）的結合在生物領域的應用主要集中在高分辨率成像、納米操縱、單分子力學測量以及動態生物過程觀測等方面。

1. 高分辨率生物分子成像

案例：DNA和蛋白質的高清形貌掃描

壓電位移臺提供穩定的納米級定位，使AFM能夠對生物大分子（如DNA、蛋白質、膜蛋白）進行高分辨率成像。

名古屋大學生物原子力探針前沿研究中心[1]，利用高速AFM（HS-AFM）結合壓電掃描臺，實時觀察F?-ATPase酶的旋轉催化作用，時間分辨率達毫秒級。

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

2. 單分子力學測量（力譜分析）

案例：蛋白質折疊、細胞力學特性測量

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特性（如彈性、粘附力、結合力）。

Keir[3]等人利用AFM結合壓電位移臺在單分子力學測量中的應用，如蛋白質去折疊、DNA拉伸等。

哥倫比亞大學生物科學系Lewyn Li等人[4]利用AFM力譜技術結合壓電位移臺，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）對細胞進行形態學和生物力學特性分析，觀察全氟醇處理對細胞形態和彈性模量的影響。

數據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揮了關鍵作用。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，進而獲取相關數據用于計算活細胞的彈性模量。 

數據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. 活細胞動態觀測

案例：細菌運動、細胞膜動態變化

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

Shin Morioka等研究人員[6]使用HS-AFM技術觀察了無N-末端尾的核小體在單分子水平上的動態行為。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?結合高速AFM和壓電位移臺，觀測活細胞內肌動蛋白（actin）的動態重組過程。HS-AFM是一種能夠在液體環境下進行超快速動態成像的技術，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觀測。通過HS-AFM，研究人員能夠實時觀察肌動蛋白骨架的組裝和拆卸過程，以及其在細胞內的動態行為。

同時，Fantner GE,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技術特點

HS-AFM突破了傳統原子力顯微鏡掃描成像速度慢的限制，能夠在液體環境下進行超快速動態成像，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。

圖片來源于Shin Morioka[6]團隊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納米結構組裝、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、構建納米結構等。

中國科學院上海核研究所與薩朗大學[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構表征的一些可能的應用。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用還有如病毒顆粒的移動、蛋白質分子的排列等。

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合（如抗體-抗原、受體-配體）。相關研究[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-抗原對的結合力，研究免疫識別機制。

壓電位移臺與AFM的結合在生物領域的關鍵應用包括：

? 高分辨率成像（DNA、蛋白質、細胞膜）
? 單分子力學測量（蛋白質去折疊、細胞力學）
? 活細胞動態觀測（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、納米醫學和分子生物學的發展。

昊量光電推出“PIEZOCONCEPT”公司高精度納米級壓電位移平臺系列產品，它的產品如同AFM的‘超精密導航系統’，讓納米探索穩、準、快！"

下面對“PIEZOCONCEPT”在生物領域產品進行詳細的介紹：

1.PIEZOCONCEPT單軸位移平臺

PIEZOCONCEPT單軸位移平臺產品是可以在單個維度上提供精確定位的產品，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準的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還與大多數頂部安裝的孵化室（Digital Pixel, Tokai Hit, Okolab）兼容。

Z軸產品圖片

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，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

4. PIEZOCONCEPT位移臺優勢

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、快反鏡系列產品；該壓電平臺以壓電陶瓷為驅動，采用了柔性鉸鏈連接的方法，具備精確導向性、高穩定性、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%），廣泛應用于高精密位移領域，包括但不局限于半導體領域。

5.壓電位移臺在AFM檢測中的優點：

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：高頻響應的壓電驅動器支持動態模式（如輕敲模式或高速AFM），減少圖像失真。

3.閉環控制：集成傳感器的閉環壓電位移臺可補償蠕變和遲滯，提升掃描準確性。

結合使用的典型場景

（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域，再進行納米級細節掃描。

（2）三維納米操縱與力譜測量

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

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

（3）原位實驗與環境控制

高溫/低溫AFM：壓電臺的耐溫穩定性支持ji端環境下的樣品定位與掃描。

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

關于生產商：

法國PIEZOCONCEPT壓電納米平移臺

PIEZOCONCEPT是納米壓電位移平臺的供應商，產品應用包括但不限于超分辨率顯微鏡、光學捕獲和原子力顯微鏡。產品已被頂尖高校和從事前沿研究的科學家使用。

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

PIEZOCONCEPT的目標是找到一個優雅、經濟高效的解決方案，以提供準確和穩定的定位。其開發了一系列超穩定納米位移平臺，用于多種應用，與市場上已有的產品相比具有顯著優勢。它的硅基傳感器技術提供了這樣的優勢，該技術優于電容傳感器與金屬傳感器。通過簡單而高效的柔性設計和超低噪聲電子器件，PIEZOCONCEPT的壓電平臺提供皮米級穩定性和亞納米級(或亞納米弧度)噪聲基底。

上海昊量光電作為PIEZOCONCEPT在中國大陸地區獨代，為您提供專業的選型以及技術服務。對于PIEZOCONCEPT產品有興趣或者任何問題，都歡迎通過電話、電子郵件或者微信與我們聯系。

歡迎繼續關注上海昊量光電的各大媒體平臺，我們將不定期推出各種產品介紹與技術新聞。

關于昊量光電：

上海昊量光電設備有限公司是光電產品專業代理商，產品包括各類激光器、光電調制器、光學測量設備、光學元件等，涉及應用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫療、科學研究、國防、量子光學、生物顯微、物聯傳感、激光制造等；可為客戶提供完整的設備安裝，培訓，硬件開發，軟件開發，系統集成等服務。

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.

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[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.

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[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.

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