高精度压电纳米位移台：AFM显微镜的精密导航系统

高精度压电纳米位移台：AFM显微镜的精密导航系统

为生物纳米研究提供终极定位解决方案

在原子力显微镜（AFM）研究中，您是否常被这些问题困扰？
→样品定位耗时过长，错过关键动态过程？
→扫描图像漂移失真，数据重复性差？
→传统位移台精度不足，无法满足纳米级研究需求？
高精度压电纳米位移台正是解决这些痛点的终极答案——它如同AFM的‘超精密导航系统’，让纳米探索稳、准、快！"

在生物领域，压电位移台（Piezoelectric Stage）与原子力显微镜（AFM）的结合形成了“高精度定位”与“纳米级探测”的协同关系，显著提升了AFM在生物样本成像、力学测量和动态过程研究中的能力。

压电位移台与原子力显微镜（AFM）的结合在生物领域的应用主要集中在高分辨率成像、纳米操纵、单分子力学测量以及动态生物过程观测等方面。

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高分辨率生物分子成像

案例：DNA和蛋白质的高清形貌扫描

压电位移台提供稳定的纳米级定位，使AFM能够对生物大分子（如DNA、蛋白质、膜蛋白）进行高分辨率成像。

名古屋大学生物原子力探针前沿研究中心[1]，利用高速AFM（HS-AFM）结合压电扫描台，实时观察F?-ATPase酶的旋转催化作用，时间分辨率达毫秒级。

加州大学生物科学系[2]，在早期AFM研究，使用压电位移台在液体环境中对DNA进行高分辨率成像。

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单分子力学测量（力谱分析）

案例：蛋白质折叠、细胞力学特性测量

压电位移台可精确控制探针-样品距离，用于测量生物分子的力学特性（如弹性、粘附力、结合力）。

Keir[3]等人利用AFM结合压电位移台在单分子力学测量中的应用，如蛋白质去折叠、DNA拉伸等。

哥伦比亚大学生物科学系Lewyn Li等人[4]利用AFM力谱技术结合压电位移台，研究纤维连接蛋白（fibronectin）的机械去折叠过程。

长春理工大学王作斌老师[5]团队研究使用原子力显微镜（AFM）对细胞进行形态学和生物力学特性分析，观察全氟醇处理对细胞形态和弹性模量的影响。

数据图片来源于王作斌老师[5]文章AFM-based study of fullerenol (C60(OH)24)-induced changes of elasticity in living SMCC-7721 cells

压电纳米位移台在活细胞弹性模量测量实验中发挥了关键作用。在测量活细胞的力- 位移曲线时，实验装置里样品台是固定的，压电纳米位移台会带动AFM（原子力显微镜）探针在z方向朝着样品台移动，以此来实现扫描和压痕功能。在压痕过程中，AFM探针作为压头，通过压电位移台的移动施加压痕力到柔性悬臂上，从而完成对活细胞的压痕操作，进而获取相关数据用于计算活细胞的弹性模量。

数据图片来源于王作斌老师[5]文章AFM-based study of fullerenol (C60(OH)24)-induced changes of elasticity in living SMCC-7721 cells

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活细胞动态观测

案例：细菌运动、细胞膜动态变化

高速压电位移台使AFM能在液体环境中实时观测活细胞的动态行为，如细菌游动、细胞膜重塑等。

Shin Morioka等研究人员[6]使用HS-AFM技术观察了无N-末端尾的核小体在单分子水平上的动态行为。具体来说，他们研究了无尾核小体在滑动和DNA解旋/缠绕过程中的变化，并比较了无尾核小体与野生型核小体的差异。

在研究过程中?结合高速AFM和压电位移台，观测活细胞内肌动蛋白（actin）的动态重组过程。HS-AFM是一种能够在液体环境下进行超快速动态成像的技术，具有纳米级别的分辨率，特别适用于生物大分子互作的动态观测。通过HS-AFM，研究人员能够实时观察肌动蛋白骨架的组装和拆卸过程，以及其在细胞内的动态行为。

同时，FantnerGE,Barbero[7]等人利用高速AFM观测细菌（如大肠杆菌）在表面的运动行为。

HS-AFM技术特点

HS-AFM突破了传统原子力显微镜扫描成像速度慢的限制，能够在液体环境下进行超快速动态成像，分辨率达到纳米水平。其探针小且悬臂探针共振频率高，避免了对生物样品的损伤，特别适用于生物大分子互作的动态观测。HS-AFM的扫描速度可达20帧/秒，XY轴分辨率为2纳米，Z轴分辨率为0.5纳米。

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纳米操纵与生物分子组装

案例：DNA纳米结构组装、分子操纵

压电位移台可精确控制AFM探针进行纳米操纵，如推动DNA分子、构建纳米结构等。

中国科学院上海核研究所与萨朗大学[8]利用扫描力显微镜对单个生物分子进行操纵，对单个DNA分子进行操纵以及基于单分子操纵和结构表征的一些可能的应用。其中利用AFM探针和压电位移台对单个DNA分子进行切割、折叠和定位。AFM[9]在生物分子操纵中的应用还有如病毒颗粒的移动、蛋白质分子的排列等。

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生物传感器与分子识别

案例：抗原-抗体相互作用、分子识别力测量

压电位移台可用于高精度力曲线测量，研究分子间特异性结合（如抗体-抗原、受体-配体）。相关研究[10-11]如AFM力谱对分子相互作用的研究如细胞粘附、药物靶点检测；测量单个抗体-抗原对的结合力，研究免疫识别机制。

压电位移台与AFM的结合在生物领域的关键应用包括：

高分辨率成像（DNA、蛋白质、细胞膜）
单分子力学测量（蛋白质去折叠、细胞力学）
活细胞动态观测（细菌运动、细胞骨架变化）
纳米操纵（DNA折叠、分子组装）
分子识别（抗原-抗体、受体-配体相互作用）

这些研究推动了生物物理学、纳米医学和分子生物学的发展。

昊量光电推出“PIEZOCONCEPT”公司高精度纳米级压电位移平台系列产品，它的产品如同AFM的‘超精密导航系统’，让纳米探索稳、准、快！"

下面对“PIEZOCONCEPT”在生物领域产品进行详细的介绍：

1.PIEZOCONCEPT单轴位移平台

PIEZOCONCEPT单轴位移平台产品是可以在单个维度上提供精确定位的产品，主要包含Z轴压电平台、物镜扫描台。其中Z轴位移台Z-INSERT的美妙之处在于它适合每个标准的160mm x 110mm开口（k型框架）。兼容ASI、Marzhauzer、Prior、Ludl、Zeiss、Nikon、Olympus、Leica等所有品牌。

Z-INSERT还与大多数顶部安装的孵化室（Digital Pixel, Tokai Hit, Okolab）兼容。

Z轴产品图片

一维扫描平台

2.XY两轴位移平台/XYZ三轴位移平台

两轴压电平台可以提供两个维度上的平移或偏转，主要包括XY二维压电纳米位移台

XY轴压电平台

XYZ轴压电平台

3.多轴位移台

五轴位移台核心参数 行程100100100um (X, Y, Z, Theta(X), Theta(Y)) 1.11.5mrad 2.33.0mrad 3.54.5mrad	六轴位移台核心参数 行程100-300um (X, Y, Z, Theta(X), Theta(Y), Theta(Z)). 1.11.55mrad 2.33.05mrad 3.54.55mrad

4. PIEZOCONCEPT位移台独特优势

昊量光电推出“PIEZOCONCEPT”高精度单轴、双轴、三轴以及多轴纳米级压电位移台、物镜扫描台、快反镜系列产品；该压电平台以压电陶瓷为驱动，采用了柔性铰链连接的方法，具备精确导向性、高稳定性、高抗疲劳性的特点，同时搭配高精度硅基位移传感器、16Bit高分辨率高速控制器，具有高响应速度，亚纳米级的分辨率，超低底噪（10-50pm）和超高线性度（0.02%），广泛应用于高精密位移领域，包括但不局限于半导体领域。

5.压电位移台在AFM检测中的优点：

1.高精度定位：压电陶瓷的纳米级分辨率（亚纳米级）可实现AFM探针的精确操控，适用于原子级表面形貌扫描。

2.快速响应：高频响应的压电驱动器支持动态模式（如轻敲模式或高速AFM），减少图像失真。

3.闭环控制：集成传感器的闭环压电位移台可补偿蠕变和迟滞，提升扫描准确性。

结合使用的典型场景

（1）大范围扫描与高分辨率成像

多尺度成像：例如在生物检测中，先快速定位感兴趣区域，再进行纳米级细节扫描。

（2）三维纳米操纵与力谱测量

精准力控：压电位移台控制样品与探针的相对位置，实现单分子/单细胞的力学特性测量（如弹性模量、粘附力）。

动态力曲线：通过压电台的快速Z轴位移，实现高频力曲线采集，研究生物分子间相互作用。

（3）原位实验与环境控制

高温/低温AFM：压电台的耐温稳定性支持极端环境下的样品定位与扫描。

当AFM遇见PIEZOCONCEPT，纳米生物研究将不再受限于设备的物理边界。我们提供的不仅是位移台，更是打开生命微观奥秘的精准钥匙，详情请咨询昊量光电。

法国PIEZOCONCEPT压电纳米平移台

PIEZOCONCEPT是纳米压电位移平台的领先供应商，产品应用包括但不限于超分辨率显微镜、光学捕获和原子力显微镜。产品已被全球顶尖高校和从事前沿研究的科学家使用。

多年来，电容式传感器一直占据着市场主导地位。不幸的是，这项技术显示出了一些局限性。为了满足现代显微镜技术对分辨率的更高要求，PIEZOCONCEPT自行创建了一种实现更大稳定性和线性度的新方法。

PIEZOCONCEPT的目标是找到一个优雅、经济高效的解决方案，以提供准确和稳定的定位。其开发了一系列超稳定纳米位移平台，用于多种应用，与市场上已有的产品相比具有显著优势。它的硅基传感器技术提供了这样的优势，该技术优于高端电容传感器与金属传感器。通过简单而高效的柔性设计和超低噪声电子器件，PIEZOCONCEPT的压电平台提供皮米级稳定性和亚纳米级(或亚纳米弧度)噪声基底。

上海昊量光电作为PIEZOCONCEPT在中国大陆地区独家代理商，为您提供专业的选型以及技术服务。

参考文献：

[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.

[2] Hansma H G , Magdalena B , Frederic Z ,et al.Atomic force microscopy of DNA in aqueous solutions.[J].Nucleic Acids Research, 1993(3)10.1093/nar/21.3.505.

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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)10.1016/j.jmb.2004.11.021.

[5] Liu Y , Wang Z , Wang X .AFM-based study of fullerenol (C60(OH)24)-induced changes of elasticity in living SMCC-7721 cells[J].J Mech Behav Biomed Mater, 2015, 4510.1016/j.jmbbm.2014.12.011.

[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)10.1021/acs.nanolett.4c00801.

[7] Fantner GE,Barbero,et al.Imaging Bacterial Cell Death Induced by Antimicrobial Peptides in Real Time Using High Speed AFM[J].Microscopy & Microanalysis, 2010.DOI:10.1017/s1431927610062422.

[8] J,Hu,Y,et al.Nanomanipulation of single DNA molecules and its applications[J].Surface & Interface Analysis, 2004.DOI:10.1002/sia.1666.

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[11] Bo-Hyun Kim, Nicholas Y. Palermo, Sndor Lovas, Tatiana Zaikova, John F. W. Keana, and Yuri L. Lyubchenko.Single-molecule atomic force microscopy force spectroscopy study of Aβ-40 interactions.[J].Biochemistry, 2011, 50(23)10.1021/bi200147a.