Описание

Система FastScan Bio основана на самой продвинутой АСМ-платформе для больших образцов Dimension FastScan™. Будучи сконструированным для наблюдения с высоким разрешением динамики взаимодействия молекул, мембранных белков, связывания белков ДНК, межклеточной сигнализации и множества других динамических биологических исследований, АСМ FastScan Bio добавляет к этой платформе возможности, специфичные для наук о жизни. 

Новая инновационная конструкция зондов фирмы Bruker с уникальным покрытием и формой кантилевера составляет беспрецедентную комбинацию мягкого взаимодействия с объектами исследования и скорости получения изображений. В итоге система обладает скоростью сканирования, необходимой для исследований с высоким пространственным и временным разрешением, предоставляя непревзойденную простоту в использовании, когда-либо доступную в коммерческих системах АСМ.

Благодаря своим возможностям в получении изображений наноразмерных объектов, а также использованию разных режимов взаимодействия зонда и образца, атомно-силовая микроскопия завоевала огромный интерес среди исследователей в области наук о жизни.

Изучение динамики процессов in-situ с высоким временным и пространственным наноразмерным разрешением является необходимым в быстро развивающейся области биологических исследований. Система Dimension FastScan Bio наконец-то открывает данные возможности для проведения рутинных экспериментов. Эти достижения позволяют все большему количеству исследователей наблюдать и изучать биомолекулярные структуры и механизмы. 

Высокое разрешение системы FastScan Bio, а также быстродействие сканера, делают систему наилучшим инструментом для наблюдения молекул, белков, ДНК, РНК, мембран живых клеток и тканей, а также для многих других исследований в динамике. FastScan Bio предоставляет непревзойденную простоту в использовании, когда-либо доступную в коммерческих системах АСМ: 

• Упрощенная процедура подвода зонда к образцу с возможностью немедленного получения изображения.
• Перемещение вдоль образца, изменение увеличения и сканирования в реальном времени
• Возможности трекинга контрольных точек и создания видео
• Микрообъемная жидкостная ячейка с контролем обмена жидкости

FastScan Bio обладает наиболее полной и максимальной комплектацией для исследования биологических образцов, начиная с живых эукариотических и бактериальных клеток и заканчивая одиночными молекулами и наночастицами. Она включает в себя как основные, наиболее часто используемые режимы получения изображений, так и абсолютно уникальные запатентованные компанией Bruker режимы (Peak Force Tapping, ScanAsyst, Режим Peak Force QNM), значительно расширяющие спектр применения прибора для решения многочисленных биологических задач. 

Режим сканирования Peak Force Tapping является основным и сочетает в себе такие преимущества, как высокая скорость сканирования, высокое разрешение, приложение ультрамалых сил на образец, а также отсутствие дрейфа во время длительного сканирования. Все данные параметры являются критическими при работе с хрупкими биологическими образцами. 

Наличие режима ScanAsyst позволяет значительно упростить управление атомно-силовым микроскопом, сделав его доступным как новичку, так и опытному пользователю, а также сократить время как на обучение пользованию прибором, так и на получение качественных изображений не только на воздухе, но и в жидкости. 

Режим Peak Force QNM помимо топографических изображений с высоким разрешением позволяет получать карты наномеханических и химических свойств образцов, а также количественные характеристики их механических свойств. Это дает не только дополнительную информацию, но и позволяет судить о «состоянии» образца, его изменениях, выделять и обнаруживать различные структуры, которые могут быть невидимыми на топографических изображениях. Данный режим является идеальным для характеризации взаимодействия твердых нано- и микрочастиц с мягкими биологическими образцами, например, клетками. 

Режим PeakForce QNM позволяет с нанометровой точностью картировать модуль упругости поверхности образца, тем самым точно локализовать местоположение и распределение различного рода гомогенных и гетерогенных частиц на поверхности клеток, а также изменение жесткости самой клетки и субклеточных структур. Данный режим, при использовании его с функционализированными зондами, позволяет с высоким разрешением картировать места специфического взаимодействия, например, лиганд-рецептор, на поверхности образца, тем самым повышая чувствительность и специфичность данного оборудования. 

Благодаря функции Peak Force Capture, входящую в программное обеспечение для анализа и обработки получаемых данных, у пользователя есть возможность сохранить силовые кривые взаимодействия зонда с образцом, тем самым позволяя ему осуществлять дополнительный анализ образца и получать дополнительную информацию о нем без необходимости его дополнительного сканирования. Это позволяет сократить время работы на приборе, делая его доступным для других пользователей, а также более детально исследовать очень хрупкие биологические образцы (например, клетки), когда повторное сканирование не всегда возможно. 

Отличительной особенностью FastScan Bio является также его скорость работы, столь необходимая для наблюдения различных динамических процессов, происходящими в биологических системах. Благодаря работе в жидкой среде, а также возможности задавать и поддерживать различную температуру, возможно проводить исследования большого числа процессов, происходящих в живой природе: рост и деление клеток, апоптоз и некроз, экзо- и эндоцитоз, реорганизация цитоскелета, влияние антибиотиков и различных лекарств, белок-белковые, белок-ДНК и ДНК-ДНК взаимодействия, и множество других. 

Возможность получать изображения со скоростью до трех кадров в секунду и одновременно производить обмен среды или добавлять различные вещества, позволяет исследователю моделировать и наблюдать огромное множество биологических динамических процессов и реакций.

 

Последовательность изображений АСМ переднего края мигрирующей стволовой клетки, иллюстрирующая образование двух ламеллоподий. По мере ≪продвижения≫ клетки вперед, мембрана подтягивается к передней части, заполняя пространство между ламеллоподиями. Изображения захватывались каждые 40 секунд с разрешением 512 x 128 пикс.

 

Изображение ДНК, снятое с высоким разрешением с частотой 0.5 кадр/с. Разрезанные фрагменты ДНК фага лямбда были адсорбированны на слюдяной подложке и сканировались в полуконтактном режиме (TappingMode™)  в жидкости. Во вкладке показан тоже самый фрагмент ДНК, снятый со скоростью 3 кадра/с. Размер снимка - 500 нм, высота молекулы ДНК - 1,8 нм, шкала Z - 4,3 нм.

 

Режим PeakForce QNM

Режим PeakForce QNM (Quantitative Nanomechanical Property Mapping) является ядром новейшей системы ScanAsyst, разработанной для оптимизации качества изображений атомно-силовой микроскопии. Суть режима заключается в следующем: колебания зонда генерируются с помощью вертикальных перемещений трубки пьезосканера с частотой 2 кГц. При каждом касании острия кантилевера поверхности образца строится кривая силы взаимодействия зонд-образец. Максимальное значение этой силы используется в качестве сигнала обратной связи. При этом PeakForce QNM позволяет использовать значительно меньшие силы, чем традиционный полуконтактный (tapping mode) режим. Это делает возможным работу с особо деликатными образцами и сверхострыми зондами.

В отличие от полуконтактного режима, где силы взаимодействия зонд-образец это сложная функция параметров настройки,  PeakForce QNM обеспечивает прямое измерение таких сил, что делает его мощным инструментом количественного анализа механических свойств материалов, таких как, адгезия, модули упругости и др. Поскольку силовая кривая строится в каждом пикселе изображения, разрешение полученной карты свойств поверхности равно разрешению топографии.

Основные преимущества PeakForce QNM :

• Высокое латеральное разрешение карт механических свойств материалов. Разрешение изображений составляет около 2 нм – типичное значение радиуса закругления кантилеверов Bruker.
• Количественные данные. Поскольку все механические свойства вычисляются на основе силовых кривых, полученные значения имеют количественный характер. Изображения механических свойств выдаются сразу со шкалой в абсолютных единицах.
• Чрезвычайно широкий диапазон значений измеряемых характеристик. Например, модуль упругости можно измерять в пределах 1 МПа – 100 ГПа, адгезию в пределах 10 пН – 10 мкН.
• Неразрушающие измерения. Силы взаимодействия зонд-образец существенно ниже, чем даже в полуконтактном режиме. Это делает возможным работу с особо деликатными образцами и сверхострыми зондами.
• Нет необходимости настройки резонансной частоты кантилевера. Частота колебаний зонда всегда постоянная – 2 кГц (1 кГц для микроскопа  BioScope Catalyst).
• Возможность применения широкого диапазона зондов.
• Благодаря мощному контроллеру Nanoscope V, обеспечивающему высокую скорость обработки массива силовых кривых, изображения топографии и карт поверхности отображаются одновременно по 8-ми независимым каналам.

 

Изображения поверхности многослойного полимера, полученные в режиме PeakForce QNM.

Размер скана 10х10 мкм.

а) топография, б) адгезия, в) модуль упругости

 

ScanAsyst

 

Изображение периодической решетки, размер 1х1 мкм. Глубина канавки 65 нм, период 50 нм

 

ScanAsyst - это первая интеллектуальная система, позволяющая автоматически оптимизировать качество изображений атомно-силовой микроскопии. ScanAsyst освобождает исследователя от необходимости настраивать параметры обратной связи (setpoint, feedback gains), скорость сканирования. Это делает процесс получения картинки не сложнее, чем выбор области сканирования, как на воздухе, так и в жидкости.

ScanAsyst основан на режиме PeakForceTapping (или как продолжение этого режима – PeakForce QNM (Quantitative Nanomechanical Property Mapping). Суть режима заключается в следующем: колебания зонда генерируются с помощью вертикальных перемещений трубки пьезосканера с частотой 2 кГц. При каждом касании острия кантилевера поверхности образца строится кривая силы взаимодействия зонд-образец. Максимальное значение этой силы используется в качестве сигнала обратной связи. Система автоматически анализирует получаемое изображение и «налету» оптимизирует параметры сканирования, делая качество картинки наилучшим.

Основные преимущества ScanAsyst:

• Неразрушающие измерения. Силы взаимодействия зонд-образец существенно ниже, чем даже в полуконтактном режиме. Это делает возможным работу с особо деликатными образцами и сверхострыми зондами;
• Нет необходимости настройки параметров сканирования (setpoint, feedback gains, скорость сканирования) и резонансной частоты кантилевера;
• Отличные результаты при работе в жидкостях т.к. значение параметра setpoint динамически подстраивается;
• Возможность профилирования узких и глубоких впадин и канавок.

ScanAsyst  также доступен как стандартная функция на атомно-силовых микроскопах MultiMode 8, Dimension Edge, Dimension FastScan и BioScope Catalyst. Возможен апгрейд более ранних систем, таких как MultiMode, Dimension.

 

Технические характеристики

Параметр	Значение
Диапазон сканирования X-Y	35мкм x 35мкм, минимум 30мкм
Диапазон по Z	≥3 мкм
Макс. X-Y скорость зонда (ошибка позиции 1%)	>2 мм/с
Макс. Z-скорость зонда	12 мм/с
Держатель образца — проточная ячейка	60 мкл
Нагрев образца (опция)	Тк÷120°C (Воздух); Тк÷45°C (Жидкость, образец на стеклянной подложке)
Зонды	FASTSCAN-B, FASTSCAN-C, FASTSCAN-Dx, USCEBD300KHZ (опция)