金泽大学
常规和超快振幅探测器拍摄的原子力显微镜图像的比较
本研究中开发的新型超快振幅检测器使我们能够对生物样品进行低侵入的高速原子力显微镜成像
现在，肌动蛋白丝，真核细胞中的细胞骨架蛋白丝之一，可以在不破坏它们的情况下以视频速率成功成像
学分:金泽大学 为了提高我们对细胞内发生的生物分子过程的理解，可视化和记录它们的技术至关重要
高速原子力显微镜(HS-AFM)已经成为在亚分子空间尺度上以亚秒时间分辨率实时观察生物过程的重要技术
然而，记录许多重要的过程需要更高的视频帧速率，例如膜内的离子传输运动或信号机制
现在，金泽大学的梅田健一、安藤忠雄和小泽一郎及其同事设计了一种具有超快操作的振幅探测器，在高速原子力显微镜中使用这种探测器可以显著提高时间分辨率
原子力显微镜的基本思想是用一个非常小的尖端扫描样品表面
在水平(“xy”)扫描过程中，附着在小悬臂上的尖端跟随样品的垂直(“z”)轮廓，在悬臂上产生可测量的力
“xy”位置的力的大小可以与“z”值相关；扫描过程中产生的“xyz”数据产生高度图，该高度图提供了关于被调查样本的结构信息
在高速原子力显微镜中，工作原理稍微复杂一些:悬臂在共振频率附近振荡
当尖端围绕一个表面移动时，由于尖端与样品表面的相互作用，悬臂振动幅度的变化被记录下来，因为这些变化提供了对局部“z”值的测量
振幅变化检测器具有固有的慢度，称为延迟，因为通常需要有限的时间间隔来检测振幅的变化
幅度检测器延迟是提高高速原子力显微镜速度的主要瓶颈之一
Umeda和他的同事发明了一种设计巧妙的振幅检测器，它具有零固有延迟
检测器基于三角计算，其中A2 = A2(sin 2ωCT+cos2ωCT)=(Asinωct)2+(acosωCT)2的计算使用输入sin波asinωCT进行
快速检测的关键步骤是通过微分运算获得余弦波αωCT
因此，这里发明的电子电路被命名为DB(基于差分的)幅度检测器
科学家们用这种架构构建了一个测试电路，并评估了它在300-1500千赫载波频率范围内的速度性能
DB幅度检测器产生了比迄今为止通常使用的方案快大约10倍的特性
基于三角计算的幅度检测图
为了从输入sin波Asinωct获得振幅A，在执行A2 = A2(sin 2ωCT+cos2ωCT)=(asinωCT)2+(acosωCT)2的计算之后，随后执行平方根运算
到目前为止，已经使用具有有限固有延迟的基于相移的(PSB)运算来计算Acosωct(中间显示的蓝色方框)
在这里，科学家们使用一个基于差分的(DB)运算来计算Acosωct(底部中心显示的红色方框)
此外，发现通过跳过平方根运算实现了更快的振幅检测和更少的侵入性成像
学分:金泽大学 研究人员还在真实的高速原子力显微镜实验中测试了分贝振幅检测器
他们成功地记录了肌动蛋白丝，这是真核细胞中发现的细胞骨架丝之一，扫描速度为每秒800微米，比典型装置快四倍
更高的记录速度不仅导致更高的视频帧速率(每帧50毫秒)，而且还具有侵入性更小的优点——在标准设置中，1秒钟后细丝塌陷，而使用新的检测器，生物分子被稳定地观察了30秒钟
与传统检测器相比，该检测器在成像速度和侵入性方面具有更好的性能
根据科学家的说法，“通过克服振幅检测器带宽的障碍，我们开启了提高高速原子力显微镜时间分辨率的道路
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