深度学习图像识别辅助原子力显微镜单细胞力学特性精准高效探测

目的原子力显微镜(AFM)的出现为生命科学研究提供了强大工具,特别是AFM压痕实验技术已成为细胞力学特性探测的重要方法,从单细胞尺度为生理病理活动过程带来了大量新的认识,是对传统生化集群平均研究方法的有力补充。然而现有AFM压痕实验技术存在着依赖人工、效率低下等不足,严重制约了其在生命科学领域的实际应用。本文通过将光学显微成像自动目标识别技术与AFM压痕技术结合,建立了单个游离态细胞及聚团生长细胞的力学特性精准高效测量方法。方法利用YOLO深度学习算法识别出光学图像中细胞的中心部位,并通过嵌入视觉转换器(ViT)模块的双UNet神经网络模型对细胞边缘部位进行精确分割,同时采用模板匹配算法对光学图像中AFM微球探针进行定位,在此基础上自动确定AFM探针上的微球针尖与细胞不同部位之间的空间位置关系,进而对细胞中心部位和边缘部位的力学特性进行快速测量。选取HEK 293(人胚胎肾细胞)和HGC-27(人未分化胃癌细胞)两种细胞进行验证实验,并利用Hertz模型对获取的力曲线进行分析以得到细胞杨氏模量。结果在深度学习光学图像自动识别导引下可将AFM探针准确移动至细胞不同部位(中心和边缘)进行力学特性测量,同时实验结果表明,本文提出的方法不仅可对单个游离态细胞进行可靠测量,也适用于聚团生长的细胞。结论深度学习图像识别在辅助AFM单细胞力学特性精准高效探测方面具有巨大潜力,将深度学习图像识别与AFM结合有助于发展面向生物医学应用的高通量单细胞力学特性测量方法。

原子力显微镜(AFM)图像的计算机辅助分析

对DNA结合蛋白的AFM图像的分析方法进行了研究 ,通过分析DNA及其与蛋白质结合的AFM图像 ,我们可以计算出已知序列DNA的长度及其未知DNA结合蛋白质在DNA链上的位置信息 ,从而可以估计该蛋白的DNA结合位点。该研究对于寻找新的DNA结合蛋白 ,研究生物体中遗传信息的复制、转录。

基于原子力显微镜研究黄原胶分子结构的云母片处理方法优化

原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)成像常用于研究多糖分子结构,然而针对阴离子多糖,现有的制样方法较难在小范围观察区获得其清晰的单分子束结构图片。因此,本文以黄原胶为阴离子多糖代表,从不改变多糖本身结构、提升成像质量角度出发,对多糖样品浓度,云母片不同金属离子盐种类、浓度和处理时间等AFM制样方法进行了优化。结果表明,在空白云母片上,黄原胶浓度1~5μg/mL时可观测到多糖单分子束结构,但在15μm×15μm扫描范围内可观测的分子束较少。通过对云母片进行处理优化,最佳处理条件选定在0.5 mmol/L的CaCl_(2)溶液处理2 min或2 mmol/L CaCl_(2)溶液处理0.5 min。在此条件下,当黄原胶浓度为5μg/mL时,在3μm×3μm观测范围内,处理后云母片上的黄原胶分子束数量及成像质量相比空白云母片显著提升,且其单分子束高度与分子结构并未发生改变。此外,通过提高云母片干燥温度可以获取更均匀的黄原胶分子结构图片。本研究可为其他阴离子多糖AFM成像的样品制备提供可借鉴的方法参考。

沥青原子力显微镜微观图像的特征分析

针对原子力显微镜(AFM)观测的沥青"蜂状结构",提出结合图像处理技术,利用分形维数对沥青微观结构进行定量分析。首先,通过实验获取基质沥青的AFM观测图像,分析"蜂状结构"的组成;再以不同老化程度的沥青为研究对象,借助Image-pro plus图像分析软件及Fractal fox分形软件对沥青AFM观测图像开展系统分析。结果表明,随着老化程度的提高,"蜂状结构"普遍增大,但所占总面积减少,结构总数也逐渐减少,分形维数则呈上升趋势。利用分形维数观察沥青的"蜂状结构"具有很高可行性,是一种新颖可靠的评价方法。

羟基乙叉二膦酸(HEDP)对碳酸钙晶体生长过程影响的原子力显微镜(AFM)研究

用原子力显微镜 (AFM)观测了添加羟基乙叉二膦酸 (HEDP)后的碳酸钙晶粒的表面形貌变化。纯碳酸钙过饱和溶液析出的碳酸钙晶体有两种主要的形态 :薄片状菱形晶体和类似立方体的菱方体晶体。AFM图像显示添加HEDP后菱方体晶体的形貌发生了根本性的变化 ,呈现一种类似多晶的表面结构 ;而薄片状菱形晶体在添加HEDP前后测量不到生长变化。实验结果表明HEDP对薄片状菱形晶体有阻垢效果 。

基于原子力显微镜(AFM)的微小结构加工工艺研究

为了解决AFM单独用于机械刻蚀加工存在的局限性以及加工过程中各种因素对加工结果的影响等问题 ,提出一种基于AFM的非硅工艺微结构的加工方法。把三维微动工作台叠加到原子力显微镜工作台上组成新的微加工系统 ,采用金刚石针尖作为加工工具。根据AFM在线成像后的结果对该工艺过程中各种因素产生的影响进行了研究、分析和说明 ,得出主要参数优选的一般方法 ,讨论了与其他微机械加工方法相比较采用该方法的优缺点和可行性。应用该系统进行了微结构的加工实验 ,实验结果表明该系统能够实现较高尺寸精度和重复性精度的微结构的加工 。

TMX2000型原子力显微镜(AFM)力的标定

根据针尖的形状和各项参数进行了TMX2000型原子力显微镜载荷、粘附力、法向力、横向力及其摩擦力的标定。其标定结果为载荷Fl=0.073×(Ilm-Il0)/Sn×N·m-1,横向力Ft=0.156×It/Sn×N·m-1,摩擦力Ff=0.078×(It+-It-)

原子力显微镜图像小波去噪方法的研究

将小波阈值收缩去噪技术应用于原子力显微镜图像处理中,着重对阈值确定过程中阈值修正算法及阈值函数选取进行了讨论,对比了各种方法的优缺点,针对噪声较大的原子力显微镜图像,提出一种改进的修正阈值滤波方法,并给出了具体算法。采用原子力显微镜扫描的光盘膜图像对所提算法进行了实验研究,对采用不同阈值及阈值函数获得的结果进行了对比。该结果验证了所提方法的有效性。

基于原子力显微镜观测的煤中显微组分微观形貌与孔隙结构

煤炭既是重要的能源资源,也是潜在的材料原料。作为能源时,煤的物理结构在其综合利用及转化中有不可忽视的作用,如煤中孔隙结构对煤层气的储存、吸附、运移、解吸等有关键性作用。作为材料原料时,能为高精尖产业提供优质原料来源,如煤基石墨、煤基石墨烯等。显微组分是煤的主要成分,对煤的属性及其应用贡献巨大。以榆横矿区小纪汗煤矿2号煤层样品(XJH)为研究对象,对煤中显微组分开展原子力显微镜(AFM)观测,分析镜质组、半丝质体和丝质体的微观形貌和孔隙结构特征,为该区煤的清洁高效利用夯实基础。结果显示,XJH煤显微组分的微观形貌以粒状结构为主,表面颗粒呈不同规则程度圆形或椭圆形随机分布;镜质组表面颗粒的功率谱密度分形维数Ds最大,颗粒空间充填能力和高低起伏程度大,随机性强,微观结构较复杂。半丝质体次之。丝质体Ds最小,颗粒分布较疏散,起伏程度较缓,微观结构较镜质组和半丝质体简单。孔隙结构方面,镜质组孔隙平均孔径和面积最小,但孔隙数量最多,且贡献主要来自孔径<2 nm的微孔,镜质组孔隙结构更利于煤层气的吸附和储存;惰质组平均孔径和面积大于镜质组,但孔隙数量更少,这是惰质组中孔径2~50 nm的介孔数量较多所致,惰质组的孔隙结构能为煤层气的扩散提供有利通道。惰质组中半丝质体和丝质体的孔隙结构都主要由介孔贡献,但半丝质体孔隙分形维数D较大,即半丝质体孔隙不规则程度较丝质体大。

基于原子力显微镜的溶液环境下单个天然状态病毒颗粒多参数成像及纳米力学特性分析

目的研究单个病毒颗粒的行为特性对于揭示调控病毒生命周期的内在机制、发展新型抗病毒治疗方法具有重要基础意义。原子力显微镜(AFM)的出现为高分辨率探测单个病毒颗粒的结构和力学特性提供了新的强大工具,极大地促进了物理病毒学的发展。然而,目前人们对于力学特性在病毒生命活动过程中调控作用的认知仍然很不足,特别是利用多参数AFM成像技术对病毒颗粒开展的研究还不多见。本文结合AFM多参数成像技术和压痕实验技术研究了溶液环境下化学刺激诱导的单个天然状态病毒颗粒结构及力学特性动态变化。方法通过在盖玻片基底表面覆盖一层多聚赖氨酸以将慢病毒颗粒吸附到基底,随后利用AFM直接在溶液环境下对天然状态的单个病毒颗粒进行探测。基于AFM峰值力轻敲(PFT)多参数成像模式,同时获取单个病毒颗粒的形貌结构及力学特性图。在AFM形貌图导引下控制AFM探针移动至单个病毒颗粒中央部位进行压痕实验以测量病毒力学特性。利用75%酒精溶液对病毒颗粒进行处理后,对病毒颗粒的形貌结构及力学特性变化情况进行观测。结果利用AFM在溶液环境下可对单个病毒颗粒的形貌及力学特性进行高质量成像表征,实验结果显示病毒颗粒在空气中和溶液中分别呈现不同的黏附特性和弹性特性。经过酒精处理后,病毒颗粒形状变得不规则,且病毒颗粒的杨氏模量显著增加,形变能力显著减弱。结论本文结果为研究溶液环境下单个天然状态病毒颗粒的结构和纳米力学特性提供了新的方法,对于病毒学研究具有广泛的基础意义。

AFM-III型原子力显微镜在实验教学中的使用

扫描隧道显微镜(MicroNano AFM-Ⅲ型原子力显微镜),简称原子力显微镜,它集STM、AFM接触/非接触/侧向力/轻敲模式于一体,使人们能够通过实验论证,清晰地观察到物质表面的原子排列状态.在实验教学中,让学生通过实际操作,观察和验证量子力学中的隧道效应,真正深入到原子世界,了解原子结构排列的真实图像,对培养学生科研兴趣和创造性思维,使学生对纳米尺度的进一步了解和深入研究具有极其重要的作用.

提高原子力显微镜(AFM)成像质量的方法

针对原子力显微镜AFM不要求样品具有导电性的优点,分析了影响原子力显微镜AFM扫描图像质量的原因及提高AFM成像质量的方法。

真空调频原子力显微镜高精度扫描器设计与校准

原子力显微镜(AFM)是一种表征样品表面的物理化学信息的精密仪器,AFM高精度扫描器是整个测量与表征系统的核心部件,其性能直接影响整个测量系统的性能,因此对原子力显微镜高精度扫描器的研究具有重要意义。介绍了调频原子力显微镜(FM-AFM)、AFM精密扫描平台以及扫描器的基本原理,提出了更为精确的扫描器设计模型,并将根据真空FM-AFM实际需要设计的扫描器搭载到自主研发的超高真空AFM系统中进行测试,结果表明了设计模型的精确性。随后,根据实验测试结果进行了相应的校准,提出了一种基于图像进行非线性校准的简易方法。最后,对云母样品表面形貌进行了测量,得到了云母台阶。

基于原子力显微镜(AFM)的微加工系统

目前原子力显微镜(AFM)已经成为纳米加工领域中一种重要的加工手段,但由于其自身扫描陶管及针尖等因素的影响,AFM的微加工能力在很大程度上受到限制。利用三维微动工作台结合原子力显微镜以及锋利的金刚石针尖组成微加工系统,通过编程获取微结构的轮廓,选择RS＿232串口作为通讯方式,发送字符串命令控制工作台的运动实现预定的轨迹,从而消除了扫描陶管运动范围有限且存在漂移和滞后的影响,解决了氮化硅和单晶硅针尖加工材料范围有限的问题,提升了AFM的加工能力,并加工出较为复杂的微结构及微传感器。实验表明这是一种可行的微加工方法。

原子力显微镜图像降噪与平面校正的同步实现

将小波阈值收缩去噪技术应用于原子力显微镜(AFM)图像去噪的同时,应用最小二乘拟合法对 AFM 二维小波分解近似子图像的一次倾斜平面进行校正,从而同步实现了 AFM 图像去噪与平面校正。在保证图像去噪效果及平面校正质量的前提下,大幅度减少了最小二乘拟合计算量,提高了算法实时性能。由于该方法借助于小波变换实现,可以方便地与图像的小波压缩方法相结合,因此更有利于 AFM 扫描图像的原位分析与处理。通过实验,采用上述方法对 AFM 扫描图像进行了降噪与平面校正处理,证明了此方法的有效性。

基于图像配准的原子力显微镜图像热漂移失真校正

在室温大气环境中,原子力显微镜(AFM)的热漂移会影响扫描过程中针尖定位的精度,导致扫描图像的失真,从而增大基于AFM图像的二维测量的误差。针对这种失真,在图像配准方法的基础上提出了热漂移补偿方法,通过建立热漂移的线性模型,校正扫描的AFM图像,从而恢复样品的真实形貌,有效提高了AFM图像二维平面内的测量准确性。

原子力显微镜AFM

一、AFM的发展 世界最新型原子力显微镜AFM(Atomic Force Micro-scope)是1986年由电子扫描隧道显微镜STM(ScamningTunneling Microscope)的发明者Binning试制成功的,1990年完成了实用化装置并开始投放市场,目前AFM在世界上的普及速度大大超过了STM。 其理由是STM不能测定绝缘材料,而AFM不但具有与STM同等高的分辨能力,还能直接测定包括绝缘材料在内的各种物质。由于STM能够逐个地识别原子,所以作为显微镜来说是划时代的,但是不能直接测定绝缘物质是它的最大缺点。使用STM测定绝缘物质时。

新型原子力显微镜的研制及其应用

研制了一种新型卧式原子力显微镜 ( AFM)系统 .本文介绍卧式 AFM的工作原理及其简要结构 ,讨论反馈控制电路系统的优化设计 ,阐述 Windows/ Dos兼容的图象扫描、处理和显示软件 .基于原子力曲线的测定 ,利用 AFM对纳米金刚石薄膜和多孔氧化铝进行了扫描检测 .实验表明 ,该 AFM系统具有十分良好的图象重复性、稳定性和衬比 (度 ) ,仪器的横向分辨率优于 3 nm,纵向分辨率可达 1 nm,最大扫描范围达到 5μm× 5μm.

原子力显微镜研究鱼鳞胶原蛋白的溶液聚集行为

用原子力显微镜(AFM)考察了样品质量浓度、溶液pH及温度对鱼鳞胶原蛋白溶液聚集态的影响。结果表明,在pH2.7的醋酸溶液中,当鱼鳞胶原蛋白质量浓度为10μg/mL时,鱼鳞胶原蛋白主要以单体和线性小聚集体形式存在,随着质量浓度继续增大,胶原分子开始自组装形成网状结构,当质量浓度达到4 mg/mL时,形成无规线团结构;而在pH7.2的Tris-HC l溶液中,即使在10μg/mL的低质量浓度下,鱼鳞胶原蛋白也能自组装成不规则的片状聚集体,并通过横向融合形成多孔网状结构。随着质量浓度的增大,纤维直径和高度明显增加;鱼鳞胶原蛋白在40℃处理1 h,其聚集行为发生明显改变,聚集体由线性变为球状;当处理温度升至80℃时,其高级结构基本被破坏,AFM图像上只可见少许不规则分布的团状聚集体。

原子力显微镜表征土壤中的纳米胶体

以平均粒径和多分散性指数为参数、采用原子力显微镜(AFM)表征了不同地区三种土壤纳米胶体的粒径与形貌,研究了pH及重金属离子对纳米胶体粒径和形貌的影响。结果表明,江苏九华(JH-4)土壤纳米胶体主要为形状规则的黏土矿物粒子,并部分被有机质包裹或覆盖,平均粒径为21.5nm(n=98),多分散性程度高(PI=1.9);浙江富阳(FY-1)土壤纳米胶体主要是无规则形状的有机质包裹的粒子,平均粒径为20.3nm(n=133),多分散性程度高(PI=2.0);江西德兴(DX-9)土壤纳米胶体主要是球状或近球状的无机粒子,平均粒径为56.3nm(n=147),多分散性程度较低(PI=1.3)。pH及重金属铜离子的存在对纳米胶体粒径和形貌会产生或分散或团聚的影响,这种影响可能与土壤纳米胶体的电荷性质、有机质含量等因素有关,形貌变化较为复杂。这种复杂性对理解和研究胶体在环境过程中的行为具有指导意义。