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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
了解單分子層面復雜的生物過程是預防和治療癌癥及其他疾
病的關鍵， 作為即時可用的單分子檢測儀器，
實現了活體測量技術的突破以及分子水平上相互作用的成像。
AFS 技術
聲學力譜（AFS），是一種用于高度并行操縱單分子的方法。 AFS
是*款商業化的獨立儀器，包括一個易于操
作和測量的智能化專業顯微鏡。 AFS 技術是采用功能強大而成
本低廉的芯片裝置，能夠高精度施加力同時對數千個生物分子
進行檢測。
AFS 芯片示意圖
原理
AFS 技術由玻璃微流控芯片和透明的壓電變換器構成來產生共振聲波。 AFS 芯片上的聲波（超聲波）可同
時并行地在數千個生物分子（如 DNA， RNA 或蛋白質）施加亞皮牛頓（pn） 到數百皮牛頓（pn） 的力，
同時具有亞毫秒的響應時間及固有穩定性。
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
能夠使科學家研究蛋白質的結構與功能相互關系，新的生物機制和細胞力學，也可用于研究和識別自由
能圖，動力學速率和在反應過程中的中間態。
AFS 作為一個高度集成化的系統，包括倒置光學顯微鏡與軟件、工作站及相關電子器件，用戶界面友好，
操控方便。
主要技術特點
? 微流控芯片實驗室技術（Lab-on-Chip）
? 單分子操縱
? 高度并行
? 亞毫秒響應時間
? 固有穩定性
? 安全和友好的用戶界面
? 高性價比
AFS 芯片—— AFS 的核心技術
壓電元件
流動通道
金電極
1
AFS 的多功能設計
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放大倍數
? 可拆卸側板便于對光學路徑的簡單調整
? 標準 25 毫米網格便于外部安裝射流功能的組件（如注射泵）
? 特殊設計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，以便實現多種流動形式，如重力或注射器驅動的流動
AFS 的應用
LED 光源
AFS 芯片底座
手動 XY 樣品臺
流動進樣系統（重力，手動
或外部注射器泵控制流量）
抗體-抗原的親和力 蛋白質折疊 細胞操縱
微流變 脂質膜相互作用 DNA-蛋白質相互作用
2
高精度力學及長度測量
AFS 是對單個生物分子進行高精度力學測量的理想工具。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。
本實驗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
進行的。
用測量之前已生成的對照表來跟蹤微球的高度可達納米精度。
測量過程中，我們將驅動電壓的（正負峰間）幅度從 0 Vpp 增加到 2.1 Vpp，相應的聲學力從 0 pN 增加到
15.8 pN。 AFS 軟件能實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-DNA 的相互
作用。
具有 14 位垂直分辨率的信號發生器產生的亞皮牛頓（pN）精度的恒聲學力具有數小時的穩定性和亞毫秒
的響應時間。
1 電壓
聲力學
伸長精度
2 電壓
聲力學
伸長精度
3 電壓
聲力學
伸長精度
4 電壓
聲力學
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)
并行測量力學性能
AFS 擁有強大*的功能，能夠以高度并行的方式實現單分
子的測量。因為在很多情況下由熱擾動引起的復雜狀態及隨
機的個別狀態需要在單個實驗中同時測量得到，而 AFS 并行
測量功能恰好實現了此要求，這是非常關鍵的。在這個單分
子的拉力實驗中，通過并行測量得到了 20 個 DNA 分子的力
學參數。
力-拉伸長度曲線
20 個獨立 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-拉伸長度曲線。在一個可視區里
同時并行地獲得曲線。單分子多數量力學測量功能，可以應
用到不同的實驗如蛋白質和 RNA 伸展和核酸酶處理。
? 動態力譜
? 恒力測試
? 力-距離曲線
? 生物聚合物力學
? 鍵斷裂
? 微流變學
? 細胞力學
? 水凝膠力學性能
3
高數據量的鍵斷裂測量
統計分析和高數據量采集對于抗體-抗原相互作用的表征是
至關重要的。由于 AFS 多數量分子測試的能力，大量的鍵可
以并行測試，大大減少了測量時間。
這個實驗展示了 AFS 能夠在單個測量實驗中獲取一個完整的
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驗中得到，保證實驗的可靠性和重現
性。 AFS 能夠應用加載速率跨越幾個數量級（10-4 PN / s 到 103
PN / s），使之成為高度并行測量動態力學譜的理想工具。
基于 AFS 技術的細胞操縱
AFS 技術為科學家提供了來操縱任一物質的*能力，與
懸浮的液體介質相比，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本身。
在此，我們用 AFS 模塊施加力于神經母細胞瘤細胞，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
學節點放置位置*，大概在 AFS 芯片底部表面以上 40 微米
左右。一旦啟用聲場，熒光標記的細胞被迅速推離表面進入
到聲學節點，并且呈現在成像平面。當聲力停止時，細胞由
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胞這一能力，針對細胞生物學研究， AFS
有非常大潛力，例如細胞粘附，細胞運動和細胞分化等研究。
解除力
施加力
0s 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s
4
AFS 規格參數
AFS 是一個真正的測量單分子的工具，包括一個的倒置光學顯微鏡，射流模塊和電子組件，集成在
一個小箱體內（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
? 雙燕尾導軌，使用戶能測量樣品內不同的
位置
? 配帶有刻度按鈕的細牙螺紋軸
AFS 模塊
除了 AFS 單機顯微鏡平臺， Lumicks 公司還提供了 AFS 模塊，和商用的倒置光學顯微鏡連用。這個組合擁
有非常強大的可視功能，使用戶能夠在*的熒光超分辨顯微鏡下研究生物分子及細胞的機械操縱。
AFS 與熒光技術的結合
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 聚合酶活動機制
AFS 其自身功能多樣化和力穩定性的設計使其成為研究 DNA
分子的活動規律和機制的理想工具，涵蓋亞秒到小時的時間
量程。 RNA 聚合酶的活動通常具有復雜性：其正常工作機制
往往被不同性質的事件中斷。
在這個實驗中， DNA 分子和被處理過的大腸桿菌聚合酶復合
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。一旦開始轉錄和復制，通
過實時測量 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 聚合酶的活動機制在該試驗
中可以同時并行測量。如實驗所示， RNA 聚合酶延伸動力學
由于其運動機制常被出現的事件影響而體現出高度的隨機
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展。電壓增加，應用與生物分子的zui大加載力相應增加。
放大器可以很容易通過后面板連接到 AFS。AFS 計算機已經預裝所有相關的軟件和驅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 軟件包和一個強大的工作站。 AFS 軟件能夠實時以納米級分辨率并行測量數以千計的微
球。
主要特點：
? 在 25 赫茲實時并行三維跟蹤 60-300 個微球
? 在 25 赫茲實時并行二維跟蹤 300-1500 個微球
? 在 25 赫茲實時跟蹤（X,Y）位置精度為 2 納米
? 在 25 赫茲實時跟蹤（Z） 位置精度為 5 納米
? 通過參照微球的差值跟蹤進行（Z） 方向漂移較正
? 自動對照表校準
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和動態力測量
? 加載速率范圍： 10-4 PN / s 到 103 PN / s
AFS 芯片
AFS 系統包含三種 AFS 芯片，每個 AFS 芯片都會提前校準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 芯片設計
我們將不斷地改進 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）
? 高性能兩相步進微平移臺，行程范圍 5 mm，
步長 50 nm，亞納米級的穩定性
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
? 全視場實時并行測量高達 60 赫茲
信號發生器（可升級）
? 能承受共振聲波達 10Vpp（電壓峰峰值，
在 50Ω 阻抗下）
? 可以實現 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力學
譜和力的掃描
? 超越的穩定性和重現性
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此款產品不用于醫療，不用于臨床使用，此產品僅用于科研使用。
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