AFS技術(shù)
聲學(xué)力譜（AFS），是一種用于高度并行操縱單分子的方法。AFS單分子聲力譜儀是**款商業(yè)化的獨(dú)立儀器，包括一個(gè)易于操作和測(cè)量的智能化專(zhuān)業(yè)顯
微鏡。AFS技術(shù)是采用功能強(qiáng)大而成本低廉的芯片裝置，能夠高精度施加力同時(shí)對(duì)數(shù)千個(gè)的生物分子進(jìn)行檢測(cè)。
原理
AFS技術(shù)由玻璃微流控芯片和透明的壓電變換器構(gòu)成來(lái)產(chǎn)生共振聲波。AFS芯片上的聲波（超聲波）可同時(shí)并行地在數(shù)千個(gè)生物分子（如DNA，RNA或蛋白質(zhì)）施加亞皮牛頓（pn）到數(shù)百皮牛頓（pn）的力，同時(shí)具有亞毫秒的響應(yīng)時(shí)間及固有穩(wěn)定性。
AFS作為一個(gè)理想的工具在核酸蛋白、**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(shù)能夠使科學(xué)家研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能相互關(guān)系，新的生物機(jī)制和細(xì)胞力學(xué)，也可用于研究和識(shí)別自由能圖，動(dòng)力學(xué)速率和在反應(yīng)過(guò)程中的中間態(tài)。
AFS作為一個(gè)高度集成化的系統(tǒng)，包括倒置光學(xué)顯微鏡與軟件、工作站及相關(guān)電子器件，用戶(hù)界面友好，操控方便。
主要技術(shù)特點(diǎn)
AFS的多功能設(shè)計(jì)
AFS作為一個(gè)高度靈活的單分子檢測(cè)儀器，其顯微鏡平臺(tái)給用戶(hù)定制和個(gè)性化需求提供了多重選擇。
-
通過(guò)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(lái)改變光學(xué)放大倍數(shù)
-
可拆卸側(cè)板便于對(duì)光學(xué)路徑的簡(jiǎn)單調(diào)整
-
標(biāo)準(zhǔn)25毫米網(wǎng)格便于外部安裝射流功能的組件（如注射泵）
-
特殊設(shè)計(jì)能夠快速簡(jiǎn)單連接外部放大器
-
專(zhuān)用芯片底座能夠使射流和電子連接**地接到AFS芯片、簡(jiǎn)單快速地固定或重新固定
-
滑動(dòng)裝置用于準(zhǔn)確定位和鎖定物鏡上的樣品
-
配裝夾具以確保工作臺(tái)上流體組件的固定，以便實(shí)現(xiàn)多種流動(dòng)形式，如重力或注射器驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)
-
AFS的應(yīng)用
-
動(dòng)態(tài)力譜
-
恒力測(cè)試
-
力-距離曲線(xiàn)
-
生物聚合物力學(xué)
-
鍵斷裂
-
微流變學(xué)
-
細(xì)胞力學(xué)
-
水凝膠力學(xué)性能
高精度力學(xué)及長(zhǎng)度測(cè)量
AFS是對(duì)單個(gè)生物分子進(jìn)行高精度力學(xué)測(cè)量的理想工具。我們?cè)诖送ㄟ^(guò)對(duì)單個(gè)DNA分子不同張力程度及使用AFS的跟蹤軟件測(cè)量其長(zhǎng)度來(lái)證明AFS的高測(cè)量精度。
本實(shí)驗(yàn)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(gè)DNA分子（長(zhǎng)度8.4 kbps）上進(jìn)行的。
用測(cè)量之前已生成的對(duì)照表來(lái)跟蹤微球的高度可達(dá)納米精度。
測(cè)量過(guò)程中，我們將驅(qū)動(dòng)電壓的（正負(fù)峰間）幅度從0 Vpp增加到2.1 Vpp，相應(yīng)的聲學(xué)力從0 pN增加到15.8 pN。AFS軟件能實(shí)時(shí)確定在各種力作用下的DNA長(zhǎng)度，以此來(lái)探測(cè)生物活動(dòng)，如蛋白質(zhì)-DNA的相互作用。
具有14位垂直分辨率的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的亞皮牛頓（pN）精度的恒聲學(xué)力具有數(shù)小時(shí)的穩(wěn)定性和亞毫秒的響應(yīng)時(shí)間。
并行測(cè)量力學(xué)性能
AFS擁有強(qiáng)大獨(dú)特的功能，能夠以高度并行的方式實(shí)現(xiàn)單分子的測(cè)量。因?yàn)樵诤芏嗲闆r下由熱擾動(dòng)引起的復(fù)雜狀態(tài)及隨機(jī)的個(gè)別狀態(tài)需要在單個(gè)實(shí)驗(yàn)中同時(shí)測(cè)量得到，而AFS并行測(cè)量功能恰好實(shí)現(xiàn)了此要求，這是非常關(guān)鍵的。在這個(gè)單分子的拉力實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)并行測(cè)量得到了20個(gè)DNA分子的力學(xué)參數(shù)。
力-拉伸長(zhǎng)度曲線(xiàn)
20個(gè)獨(dú)立DNA分子的并行拉伸曲線(xiàn)。我們將張力從0.1 pN增加到48 pN來(lái)記錄力學(xué)-拉伸長(zhǎng)度曲線(xiàn)。在一個(gè)可視區(qū)里同時(shí)并行地獲得曲線(xiàn)。單分子多數(shù)量力學(xué)測(cè)量功能，可以應(yīng)用到不同的實(shí)驗(yàn)如蛋白質(zhì)和RNA伸展和核酸酶處理。
高數(shù)據(jù)量的鍵斷裂測(cè)量
統(tǒng)計(jì)分析和高數(shù)據(jù)量采集對(duì)于抗體-抗原相互作用的表征是至關(guān)重要的。由于AFS多數(shù)量分子測(cè)試的能力，大量的鍵可以并行測(cè)試，大大減少了測(cè)量時(shí)間。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)展示了AFS能夠在單個(gè)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中獲取一個(gè)完整的251個(gè)單分子Dig:: anti-Dig鍵斷裂力分布。
斷裂力柱狀圖
251個(gè)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(lái)并繪制成一個(gè)斷裂力柱狀圖。此柱狀圖在相同條件下的單個(gè)實(shí)驗(yàn)中得到，保證實(shí)驗(yàn)的可靠性和重現(xiàn)性。AFS能夠應(yīng)用加載速率跨越幾個(gè)數(shù)量級(jí)（10-4 PN / s到103 PN / s），使之成為高度并行測(cè)量動(dòng)態(tài)力學(xué)譜的理想工具。
基于AFS技術(shù)的細(xì)胞操縱
AFS技術(shù)為科學(xué)家提供了來(lái)操縱任一物質(zhì)的****能力，與懸浮的液體介質(zhì)相比，密度不同。通過(guò)這個(gè)方法，力不僅可以作用于合成微球，也能作用于活體物質(zhì)本身。
在此，我們用AFS模塊施加力于神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)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(xué)節(jié)點(diǎn)放置位置一致，大概在AFS芯片底部表面以上40微米左右。一旦啟用聲場(chǎng)，熒光標(biāo)記的細(xì)胞被迅速推離表面進(jìn)入到聲學(xué)節(jié)點(diǎn)，并且呈現(xiàn)在成像平面。當(dāng)聲力停止時(shí)，細(xì)胞由于重力原因下降，逐漸從熒光圖像中消失。
通過(guò)直接作用力于細(xì)胞這一能力，針對(duì)細(xì)胞生物學(xué)研究，AFS有非常大潛力，例如細(xì)胞粘附，細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞分化等研究。
測(cè)量RNA聚合酶活動(dòng)機(jī)制
AFS其自身功能多樣化和力穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)使其成為研究DNA分子的活動(dòng)規(guī)律和機(jī)制的理想工具，涵蓋亞秒到小時(shí)的時(shí)間量程。RNA聚合酶的活動(dòng)通常具有復(fù)雜性：其正常工作機(jī)制往往被不同性質(zhì)的事件中斷。
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，DNA分子和被處理過(guò)的大腸桿菌聚合酶復(fù)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(kāi)始轉(zhuǎn)錄和復(fù)制，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量DNA的延伸，能夠**檢測(cè)每個(gè)大腸桿菌聚合酶分子的活動(dòng)，多個(gè)大腸桿菌RNA聚合酶的活動(dòng)機(jī)制在該試驗(yàn)中可以同時(shí)并行測(cè)量。如實(shí)驗(yàn)所示，RNA聚合酶延伸動(dòng)力學(xué)由于其運(yùn)動(dòng)機(jī)制常被出現(xiàn)的事件影響而體現(xiàn)出高度的隨機(jī)性，AFS作為一個(gè)有效的研究手段非常適合解決該問(wèn)題。
AFS模塊
除了AFS單機(jī)顯微鏡平臺(tái)，Lumicks公司還提供了AFS模塊，和商用的倒置光學(xué)顯微鏡連用。這個(gè)組合擁有非常強(qiáng)大的可視功能，使用戶(hù)能夠在**的熒光超分辨顯微鏡下研究生物分子及細(xì)胞的機(jī)械操縱。
AFS規(guī)格參數(shù)
AFS是一個(gè)真正的測(cè)量單分子的工具，包括一個(gè)專(zhuān)用的倒置光學(xué)顯微鏡，射流模塊和電子組件，集成在一個(gè)小箱體內(nèi)（300mm×375mm×200mm）。
AFS專(zhuān)用顯微鏡
單色LED照明
CFI消色差物鏡（可升級(jí)）
電動(dòng)Z軸物鏡臺(tái)（可升級(jí)）
USB 3.0 CMOS攝像頭（可升級(jí)）
手動(dòng)XY樣品臺(tái)
信號(hào)發(fā)生器（可升級(jí)）
AFS芯片
AFS系統(tǒng)包含三種AFS芯片，每個(gè)AFS芯片都會(huì)提前校準(zhǔn)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
-
*大加載力：大于200 pN（4.5μm的聚苯乙烯微球，采用電壓放大器）
**的AFS芯片設(shè)計(jì)
我們將不斷地改進(jìn)AFS芯片。與AFS用戶(hù)密切合作，提高芯片的性能、功能和可用性。
AFS工作站及軟件（可升級(jí)）
AFS包括labview軟件包和一個(gè)強(qiáng)大的工作站。AFS軟件能夠?qū)崟r(shí)以納米級(jí)分辨率并行測(cè)試數(shù)以千計(jì)的微球。
-
在25赫茲實(shí)時(shí)并行三維跟蹤60-300個(gè)微球
-
在25赫茲實(shí)時(shí)并行二維跟蹤300-1500個(gè)微球
-
在25赫茲實(shí)時(shí)跟蹤（X,Y）位置精度為2納米
-
在25赫茲實(shí)時(shí)跟蹤（Z）位置精度為5納米
-
通過(guò)參照微球的差值跟蹤進(jìn)行（Z）方向漂移較正
-
自動(dòng)對(duì)照表校準(zhǔn)
AFS放大器（可選）
AFS的功能可通過(guò)一個(gè)電壓放大器擴(kuò)展。電壓增加，應(yīng)用與生物分子的*大加載力相應(yīng)增加。
放大器可以很容易通過(guò)后面板連接到AFS。AFS計(jì)算機(jī)已經(jīng)預(yù)裝所有相關(guān)的軟件和驅(qū)動(dòng)程序以適用于電壓放大器。