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AFSTM單分子聲力譜儀
AFSTM單分子聲力譜儀
全新的單分子測量手段
了解單分子層面復(fù)雜的生物過程是預(yù)防和治療癌癥及其他疾
病的關(guān)鍵， 作為即時可用的單分子檢測儀器，
實(shí)現(xiàn)了活體測量技術(shù)的突破以及分子水平上相互作用的成像。
AFS 技術(shù)
聲學(xué)力譜（AFS），是一種用于高度并行操縱單分子的方法。 AFS
是*款商業(yè)化的獨(dú)立儀器，包括一個易于操
作和測量的智能化專業(yè)顯微鏡。 AFS 技術(shù)是采用功能強(qiáng)大而成
本低廉的芯片裝置，能夠高精度施加力同時對數(shù)千個生物分子
進(jìn)行檢測。
AFS 芯片示意圖
原理
AFS 技術(shù)由玻璃微流控芯片和透明的壓電變換器構(gòu)成來產(chǎn)生共振聲波。 AFS 芯片上的聲波（超聲波）可同
時并行地在數(shù)千個生物分子（如 DNA， RNA 或蛋白質(zhì)）施加亞皮牛頓（pn） 到數(shù)百皮牛頓（pn） 的力，
同時具有亞毫秒的響應(yīng)時間及固有穩(wěn)定性。
AFS 作為一個理想的工具在核酸蛋白、藥物蛋白和抗原抗體層面上破譯分子間相互作用的詳情。 AFS 技術(shù)
能夠使科學(xué)家研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能相互關(guān)系，新的生物機(jī)制和細(xì)胞力學(xué)，也可用于研究和識別自由
能圖，動力學(xué)速率和在反應(yīng)過程中的中間態(tài)。
AFS 作為一個高度集成化的系統(tǒng)，包括倒置光學(xué)顯微鏡與軟件、工作站及相關(guān)電子器件，用戶界面友好，
操控方便。
主要技術(shù)特點(diǎn)
? 微流控芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)（Lab-on-Chip）
? 單分子操縱
? 高度并行
? 亞毫秒響應(yīng)時間
? 固有穩(wěn)定性
? 安全和友好的用戶界面
? 高性價比
AFS 芯片—— AFS 的核心技術(shù)
壓電元件
流動通道
金電極
1
AFS 的多功能設(shè)計(jì)
AFS 作為一個高度靈活的單分子檢測儀器，其顯微鏡平臺給用戶定制和個性化需求提供了多重選擇。
? 通過在 200 毫米、 150 毫米、 75 毫米和 50 毫米不同鏡筒透鏡安裝距離來改變光學(xué)放大倍數(shù)
? 可拆卸側(cè)板便于對光學(xué)路徑的簡單調(diào)整
? 標(biāo)準(zhǔn) 25 毫米網(wǎng)格便于外部安裝射流功能的組件（如注射泵）
? 特殊設(shè)計(jì)能夠快速簡單連接外部放大器
? 芯片底座能夠使射流和電子連接安全地接到 AFS 芯片、簡單快速地固定或重新固定
? 滑動裝置用于準(zhǔn)確定位和鎖定物鏡上的樣品
? 配裝夾具以確保工作臺上流體組件的固定，以便實(shí)現(xiàn)多種流動形式，如重力或注射器驅(qū)動的流動
AFS 的應(yīng)用
LED 光源
AFS 芯片底座
手動 XY 樣品臺
流動進(jìn)樣系統(tǒng)（重力，手動
或外部注射器泵控制流量）
抗體-抗原的親和力 蛋白質(zhì)折疊 細(xì)胞操縱
微流變 脂質(zhì)膜相互作用 DNA-蛋白質(zhì)相互作用
2
高精度力學(xué)及長度測量
AFS 是對單個生物分子進(jìn)行高精度力學(xué)測量的理想工具。我們在此通過對單個 DNA 分子不同張力程度及
使用 AFS 的跟蹤軟件測量其長度來證明 AFS 的高測量精度。
本實(shí)驗(yàn)是在被拴在鏈霉親和素包裹的聚苯乙烯微球（直徑 4.5μm）上的單個 DNA 分子（長度 8.4 kbps）上
進(jìn)行的。
用測量之前已生成的對照表來跟蹤微球的高度可達(dá)納米精度。
測量過程中，我們將驅(qū)動電壓的（正負(fù)峰間）幅度從 0 Vpp 增加到 2.1 Vpp，相應(yīng)的聲學(xué)力從 0 pN 增加到
15.8 pN。 AFS 軟件能實(shí)時確定在各種力作用下的 DNA 長度，以此來探測生物活動，如蛋白質(zhì)-DNA 的相互
作用。
具有 14 位垂直分辨率的信號發(fā)生器產(chǎn)生的亞皮牛頓（pN）精度的恒聲學(xué)力具有數(shù)小時的穩(wěn)定性和亞毫秒
的響應(yīng)時間。
1 電壓
聲力學(xué)
伸長精度
2 電壓
聲力學(xué)
伸長精度
3 電壓
聲力學(xué)
伸長精度
4 電壓
聲力學(xué)
伸長精度
0 Vpp
0 pN
205.1nm(st.dev.@60Hz)
0.6 Vpp
1.3 pN
18.5nm(st.dev.@60Hz)
1.5 Vpp
8.1 pN
14.0nm(st.dev.@60Hz)
2.1Vpp
15.8pN
12.7nm(st.dev.@60Hz)
并行測量力學(xué)性能
AFS 擁有強(qiáng)大*的功能，能夠以高度并行的方式實(shí)現(xiàn)單分
子的測量。因?yàn)樵诤芏嗲闆r下由熱擾動引起的復(fù)雜狀態(tài)及隨
機(jī)的個別狀態(tài)需要在單個實(shí)驗(yàn)中同時測量得到，而 AFS 并行
測量功能恰好實(shí)現(xiàn)了此要求，這是非常關(guān)鍵的。在這個單分
子的拉力實(shí)驗(yàn)中，通過并行測量得到了 20 個 DNA 分子的力
學(xué)參數(shù)。
力-拉伸長度曲線
20 個獨(dú)立 DNA 分子的并行拉伸曲線。我們將張力從 0.1 pN
增加到 48 pN 來記錄力學(xué)-拉伸長度曲線。在一個可視區(qū)里
同時并行地獲得曲線。單分子多數(shù)量力學(xué)測量功能，可以應(yīng)
用到不同的實(shí)驗(yàn)如蛋白質(zhì)和 RNA 伸展和核酸酶處理。
? 動態(tài)力譜
? 恒力測試
? 力-距離曲線
? 生物聚合物力學(xué)
? 鍵斷裂
? 微流變學(xué)
? 細(xì)胞力學(xué)
? 水凝膠力學(xué)性能
3
高數(shù)據(jù)量的鍵斷裂測量
統(tǒng)計(jì)分析和高數(shù)據(jù)量采集對于抗體-抗原相互作用的表征是
至關(guān)重要的。由于 AFS 多數(shù)量分子測試的能力，大量的鍵可
以并行測試，大大減少了測量時間。
這個實(shí)驗(yàn)展示了 AFS 能夠在單個測量實(shí)驗(yàn)中獲取一個完整的
251 個單分子 Dig:: anti-Dig 鍵斷裂力分布。
斷裂力柱狀圖
251 個 Dig::anti-Dig 鍵，拉伸載荷率為 2.3 pN/s，每 Dig::anti-Dig
鍵的斷裂力記錄下來并繪制成一個斷裂力柱狀圖。此柱狀圖
在相同條件下的單個實(shí)驗(yàn)中得到，保證實(shí)驗(yàn)的可靠性和重現(xiàn)
性。 AFS 能夠應(yīng)用加載速率跨越幾個數(shù)量級（10-4 PN / s 到 103
PN / s），使之成為高度并行測量動態(tài)力學(xué)譜的理想工具。
基于 AFS 技術(shù)的細(xì)胞操縱
AFS 技術(shù)為科學(xué)家提供了來操縱任一物質(zhì)的*能力，與
懸浮的液體介質(zhì)相比，密度不同。通過這個方法，力不僅可
以作用于合成微球，也能作用于活體物質(zhì)本身。
在此，我們用 AFS 模塊施加力于神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞，并在商
售的徠卡共焦顯微鏡（徠卡 TCS SP8）下觀察。成像平面與聲
學(xué)節(jié)點(diǎn)放置位置*，大概在 AFS 芯片底部表面以上 40 微米
左右。一旦啟用聲場，熒光標(biāo)記的細(xì)胞被迅速推離表面進(jìn)入
到聲學(xué)節(jié)點(diǎn)，并且呈現(xiàn)在成像平面。當(dāng)聲力停止時，細(xì)胞由
于重力原因下降，逐漸從熒光圖像中消失。
通過直接作用力于細(xì)胞這一能力，針對細(xì)胞生物學(xué)研究， AFS
有非常大潛力，例如細(xì)胞粘附，細(xì)胞運(yùn)動和細(xì)胞分化等研究。
解除力
施加力
0s 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s
4
AFS 規(guī)格參數(shù)
AFS 是一個真正的測量單分子的工具，包括一個的倒置光學(xué)顯微鏡，射流模塊和電子組件，集成在
一個小箱體內(nèi)（300mm×375mm×200mm）。
AFS 顯微鏡
單色 LED 照明
? 波長 660 nm
CFI 消色差物鏡（可升級）
? 尼康 40x， NA 0.65， WD 0.65mm
? 校正色差，球面像差，模糊和圖像的平坦性
手動 XY 樣品臺
? 微米精度 20 毫米行程范圍
? 雙燕尾導(dǎo)軌，使用戶能測量樣品內(nèi)不同的
位置
? 配帶有刻度按鈕的細(xì)牙螺紋軸
AFS 模塊
除了 AFS 單機(jī)顯微鏡平臺， Lumicks 公司還提供了 AFS 模塊，和商用的倒置光學(xué)顯微鏡連用。這個組合擁
有非常強(qiáng)大的可視功能，使用戶能夠在*的熒光超分辨顯微鏡下研究生物分子及細(xì)胞的機(jī)械操縱。
AFS 與熒光技術(shù)的結(jié)合
我們在市售的顯微鏡（尼康 Eclipse Ti）上使用
AFS 模塊。拴在 DNA 鏈上的 4.5μ m 聚苯乙烯
微球用 Atto647 染料熒光標(biāo)記，通過激光照射
的熒光顯微鏡可視化。
解除力 施加力
測量 RNA 聚合酶活動機(jī)制
AFS 其自身功能多樣化和力穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)使其成為研究 DNA
分子的活動規(guī)律和機(jī)制的理想工具，涵蓋亞秒到小時的時間
量程。 RNA 聚合酶的活動通常具有復(fù)雜性：其正常工作機(jī)制
往往被不同性質(zhì)的事件中斷。
在這個實(shí)驗(yàn)中， DNA 分子和被處理過的大腸桿菌聚合酶復(fù)合
被固定在 AFS 芯片表面。 聚苯乙烯微球表面粘附能夠使 DNA
分子延伸的大腸桿菌 RNA 聚合酶。一旦開始轉(zhuǎn)錄和復(fù)制，通
過實(shí)時測量 DNA 的延伸，能夠精確檢測每個大腸桿菌聚合酶
分子的活動，多個大腸桿菌 RNA 聚合酶的活動機(jī)制在該試驗(yàn)
中可以同時并行測量。如實(shí)驗(yàn)所示， RNA 聚合酶延伸動力學(xué)
由于其運(yùn)動機(jī)制常被出現(xiàn)的事件影響而體現(xiàn)出高度的隨機(jī)
性， AFS 作為一個有效的研究手段非常適合解決該問題。
5
AFS 放大器（可選）
AFS 的功能可通過一個電壓放大器擴(kuò)展。電壓增加，應(yīng)用與生物分子的zui大加載力相應(yīng)增加。
放大器可以很容易通過后面板連接到 AFS。AFS 計(jì)算機(jī)已經(jīng)預(yù)裝所有相關(guān)的軟件和驅(qū)動程序以適用于電壓
放大器。
AFS 工作站及軟件（可升級）
AFS 包括 labview 軟件包和一個強(qiáng)大的工作站。 AFS 軟件能夠?qū)崟r以納米級分辨率并行測量數(shù)以千計(jì)的微
球。
主要特點(diǎn)：
? 在 25 赫茲實(shí)時并行三維跟蹤 60-300 個微球
? 在 25 赫茲實(shí)時并行二維跟蹤 300-1500 個微球
? 在 25 赫茲實(shí)時跟蹤（X,Y）位置精度為 2 納米
? 在 25 赫茲實(shí)時跟蹤（Z） 位置精度為 5 納米
? 通過參照微球的差值跟蹤進(jìn)行（Z） 方向漂移較正
? 自動對照表校準(zhǔn)
AFS 加載力
AFS 通過電子控制的壓電元件施加力*的性能，給用戶提供了*的掌控力。
? 可以在直徑為 4.5μ m 的聚苯乙烯微球上施加 0-500 pN 的力
? 在 14 位垂直分辨率下的靜態(tài)和動態(tài)力測量
? 加載速率范圍： 10-4 PN / s 到 103 PN / s
AFS 芯片
AFS 系統(tǒng)包含三種 AFS 芯片，每個 AFS 芯片都會提前校準(zhǔn)并且給出芯片的共振頻率
? 加載速率范圍： 10-4 PN / s 到 103 PN / s
? AFS 芯片尺寸： 45 mm x 15 mm x 1.275 mm
? zui大加載力：大于 200 pN（4.5µm 的聚苯乙烯微球，采用電壓放大器）
全新的 AFS 芯片設(shè)計(jì)
我們將不斷地改進(jìn) AFS 芯片。與 AFS 用戶密切合作，提高芯片的性能、功能和可用性。
電動 Z 軸物鏡臺（可升級）
? 高性能兩相步進(jìn)微平移臺，行程范圍 5 mm，
步長 50 nm，亞納米級的穩(wěn)定性
USB 3.0 CMOS 攝像頭（可升級）
? 1280×1024 像素（像素大小 5.3 μm）， 1.31
兆像素
? 全視場實(shí)時并行測量高達(dá) 60 赫茲
信號發(fā)生器（可升級）
? 能承受共振聲波達(dá) 10Vpp（電壓峰峰值，
在 50Ω 阻抗下）
? 可以實(shí)現(xiàn) 10-5 赫茲到千赫茲甚至千赫茲
以上頻率范圍的不同時間尺度的動態(tài)力學(xué)
譜和力的掃描
? 超越的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性
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