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不透明液体中样品也能扫!突破限制的原子力显微镜, 只有手掌大小!

发布时间: 2022-07-18  点击次数: 142次

众·所周知,原子力显微镜(AFM)对液体中的样品表征十分重要。然而,传统的基于激光反射探测原理的AFM对液体中样品表征存在着诸多不尽如人意的方面。

 

制备传统AFM所用液体样品的时间较长,对扫描样品的尺寸限制多。为了避免液体对传统AFM的激光反射光路产生影响,人们通常会把测试样品通过多个步骤制备在AFM用的液体腔中。整个制备流程复杂费时。同时,传统的AFM通常不能对较大尺寸的样品进行扫描,例如厘米骨骼样品。这大地限制了医学等学科对各类器官组织的研究。

 

第二,传统的AFM在对液体中样品的表征模式方面存在定的限制。由于传统AFM在扫描液体中的样品时可能会涉及到AFM探针在大气和液体两个相中的转换。为了避免探针在液气两相转换过程中所出现的问题,基于激光反射原理的AFM在测量液体中的样品时通常使用接触模式(Contact Model),不使用轻敲模式(Tapping Model)。然而对于表面敏感的样品而言,接触模式在扫描过程中接触样品表面时间长,对样品扫描时施加的力大,容易损坏样品表面形貌

 

第三,传统基于激光反射原理的AFM不能对不透明液体中的样品进行扫描表征。由于传统AFM的成像机理,这类的AFM不可能把探针伸入不透明液体,然后对液体中的样品进行扫描。然而,在生物学等域,把探针伸入不透明液体对样品进行扫描又是非常必要的研究。因为,细胞在不透明液体(例如血液)和透明缓释液中的状态是不样的。

 

第四,传统的AFM由于体积原因很难和其他表征设备联用,例如与荧光显微镜进行协同原位表征。

 

为了解决传统基于激光反射原理AFM在液体中测量样品过程中所遇到的问题。Quantum Design公司推出了基于全电系统的生物学AFM-AFSEM。使用AFSEM对液体中样品表征时,无需繁琐的制样过程,扫描探针进入液体中直接扫描即可[1]。在扫描模式上,AFSEM可在对液体中样品扫描时提供接触和轻敲两种模式,扫描过程中尽可能减少对样品的损伤。由于AFSEM是款基于全电系统的AFM,可以在不透明液体中对样品进行扫描。突破性地解决了以往AFM不能在不透明液体中扫描样品这难题。后,由于AFSEM的体积仅有手掌大小,如图1所示,AFSEM可以与各种光学显微,电子显微镜,FIB等多平台结合

 

 

图1. AFSEM原子力显微镜实物图。A) AFSEM的两种型号。左侧为AFSEM 1.0,右侧为AFSEM Nano。B)AFSEM 1.0尺寸大小示意图。

 

 

图2. AFSEM在1:8(血液:水)稀释的血液中扫描样品的结果。A) AFSEM在液体中扫描样品的写。B)在液体中获得的血红细胞血影的形貌图。图中比例尺为10 μm。

 

 

 

图3. 在不同透明度液体中扫描TGZ2 AFM标样的结果。A)表样浸在牛奶液体中。B)牛奶液体中获得的TGZ2 AFM扫描结果。图中比例尺为为10 μm。C)在去离子水液体中扫描标样的结果。D)血清中扫描标样的结果。E)未稀释血液中扫描标样结果。

 

 

 

图4. AFSEM在不同液体中扫描HS-500MG AFM XYZ标准样的结果。图中上半部分为去离子水中的扫描结果,下半部分为在未稀释的人体血液中获得的结果。扫描速度从左至右从30 μm/s增加到750 μm/s。

 

 

图5. 装在SEM中的AFSEM对大尺寸骨骼样本进行多维度原位表征。A)AFSEM对大尺寸骨骼样品表征示意图。B)把AFSEM放在SEM样品腔体中。C)在SEM中获得骨骼样品原位形貌信息示意图。D)C图中白色虚线部分的放大图。E)D图中彩色部分的三维立体结果。

 

Quantum Design公司拥有只强大业的定制化团队,可以根据用户的要求将AFSEM与光学显微镜,电子扫描显微镜,聚焦离子束加工设备,荧光显微镜等设备进行整合。下图为2021年9月Quantum Design公司为斯坦福大学定制的AFSEM系统[2]

 

 

图6. 2021年9月Quantum Design公司为斯坦福大学安装定制的AFSEM系统。A)斯坦福大学Fritz Prince教授和Quantum Design工程师在定制AFSEM系统前合影。B)为教授定制的AFSEM系统。定制系统方案为在FEI Teneo电子显微镜的样品腔中将AFSEM与Kleidiek八探针电学测量平台进行整合。

 

参考文献:

[1]. Michael Leitner, Hannah Seferovic, Sarah Stainer, et al.Atomic Force Microscopy Imaging in Turbid Liquids: A Promising Tool in Nanomedicine. Sensors, 2020,20,3715.

[2]. https://www.qd-microscopy。。com/2021-august-microscopy-virtual-conference-2021/

 

 

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