扫描离子电导显微镜的研制与实现

在微纳米尺度上对活细胞高分辨率成像对生命科学研究具有重要的意义,其将有助于再现正在发生的生命过程、检测细胞对外界刺激做出的响应,甚至观测某些蛋白簇在细胞膜表面的运动。然而直到今天,仍然没有很好的实现上述目标。扫描离子电导显微镜(SICM)由于其真正的非接触、高分辨、无损独特成像方式,规避了扫描过程中探针与样品表面发生力的接触,得到越来越多的关注和广泛的应用。从系统的角度阐述自制SICM系统的设计、硬件集成及跳跃模式扫描算法的实现,并通过对聚二甲基硅氧烷(PDMS)栅格成像以及与原子力显微镜(AFM)成像结果的对比,验证了系统功能的正确性和有效性;最后开展了生理环境下活体细胞的原位扫描成像实验,初步获取了活体神经细胞轴突结构的三维形貌图像。SICM的成功搭建,将为人们深入了解生理条件下活体生物样品表面微观结构与功能机理等提供有效的研究方法与手段。

扫描离子电导显微镜技术及其在纳米生物学研究中的应用

扫描探针显微镜技术的出现开辟生命科学研究的新纪元并逐步发展成为在纳米尺度研究细胞结构与功能的一类新型的显微镜技术。扫描离子电导显微镜技术就是新近发展起来的这一扫描探针显微镜技术家族中的一员,可被用来在生理条件下、高分辨率及非接触地研究活细胞的表面形貌,从而帮助人们深入研究细胞微观结构与功能的关系。本文简要介绍扫描离子电导显微镜技术的基本原理,并结合国外研究现状综述该技术在纳米生物学研究中的应用。

扫描离子电导显微镜在生物医学研究中的应用

扫描离子电导显微镜（SICM）是扫描探针显微镜家族中的新成员,主要由超微玻璃管探针、扫描压电平台、放大器、控制器和计算机组成.通过测量超微玻璃管探针和样品表面间的电流,能够非接触扫描样品表面,获得纳米尺度的细胞形貌特征.SICM具有成像分辨率高、样品制备简单、无需固定、拓展性好等特点,可以和膜片钳、激光扫描共聚焦显微镜以及全内反射显微镜等联合使用,用于生理条件下细胞形貌和功能的研究.本文简要介绍扫描离子电导显微镜的发展历史、基本原理和扫描控制模式,重点阐述了SICM在生物医学研究中的应用.

扫描离子电导显微镜的原理及应用

扫描离子电导显微镜(SICM)是一种扫描探针显微技术,通过测定超微玻璃管探针的离子电流,它能够非接触地扫描样品表面,进而研究样品的形貌及性质。SICM具有成像分辨率高、探针易于制备和对被成像物体无损伤等特点,特别适用于研究生理条件下的活体细胞,是一种与扫描电化学显微镜及原子力显微镜互补的扫描探针显微镜技术。SICM能够对软界面及表面,如活细胞表面的显微结构,进行高分辨率成像;并能够与其它技术联用,研究细胞形貌与功能的关系;还能控制沉积特定分子,实现纳米尺度的显微操作与加工。本文对SICM的发展历史、仪器构造、基本原理及应用进行了综述。

用于三维形貌定量测量的调制电流式扫描离子电导显微镜

针对已有测量方法不能同时实现材料表面形貌的三维定量无损测量的不足,提出了一种基于调制电流式扫描离子电导显微镜(SICM)的表面形貌测量方法。为了提高已有SICM系统的成像质量,提出了一种调制电流扫描模式。该模式在扫描头的结构设计上采用两块压电陶瓷,并采用调制离子电流的振幅作为反馈信号。该设计不仅保证了探头对高度突变表面的成像能力,同时有助于改善系统的成像质量。对微凸透镜阵列表面的成像实验表明,相对于传统跳跃扫描模式,调制电流扫描模式可以有效降低43%的刺状噪声,从而提高成像质量。通过与扫描激光共聚焦显微镜的定量对比实验,验证了调制电流式SICM具有更准确的三维定量测量结果,且通过采用更细的探头和更小的扫描步距可以进一步提高测量结果的准确性。

非接触式扫描离子电导显微镜技术在探测活体细胞表面微结构中的应用

扫描离子电导显微镜技术是在纳米尺度进行非导电的生物样品成像的一种新型扫描探针显微镜技术。通过成功制备扫描离子电导显微镜扫描探测用纳米尺度玻璃微探针,对其进行了功能性评估;而后通过绘制探针-样品接近曲线,阐述了扫描离子电导显微镜技术实现非接触高分辨率探测的工作原理;最后采用该显微镜技术对导电标准样品及活体肾上皮A6细胞进行了表面形貌扫描成像,并与A6细胞表面形貌的扫描电镜图像进行了对照。结果表明,扫描离子电导显微镜技术不仅可实现导电样品的扫描成像,而且适宜于在生理条件下、非接触式地研究活体细胞表面的三维形貌,从而为人们深入研究细胞表面微观结构与生理功能提供了全新的技术手段。

扫描离子电导显微镜及其在医学研究中的初步应用

扫描离子电导显微镜(scanning ion conductance microscopy,SICM)是一种非接触式的扫描探针显微技术(scanning probe microscopy,SPM),可以实现生物样品在近生理条件下的成像。随着技术发展,目前广泛应用于生物医学领域的SICM主要包括两种:跳跃式离子电导显微技术(hopping probe ion conductance microscopy,HPICM)和外加压力模式的SICM。前者可以应用于软的、黏的、对外力或其它机械信号敏感的样品的高分辨成像;后者可以通过探针微管对样品局部施加外力刺激或化学、电学、光学或生物分子等信号,实现对样品动力学性质或相关生理过程局部的原位研究。此外,SICM技术具有良好的开放性,能够越来越多地与其它技术手段联用,极大地丰富了其在生物医学领域的应用,可用于疾病发病机理、药物作用以及临床诊断等的研究。但是,目前SICM时间分辨率较低,这制约了它在生物体系动力学行为方面的研究。

一种基于大范围扫描离子电导显微镜的形貌和体积测量方法

针对现有测量方法不能同时实现大尺寸样品表面的总体和局部形貌的三维高分辨率测量以及体积计算的不足,提出了一种形貌和体积测量方法.本文首先构建了大范围扫描离子电导显微镜(Large-scale Scanning Ion Conductance Microscopy,L-SICM)系统,并利用数据拼接技术来扩展现有SICM系统的水平测量范围,从而实现样品形貌的大范围三维高分辨率测量,最后结合背景移除等数字图像处理技术来计算目标对象的体积.对亚毫米级样品的实验结果表明,基于L-SICM的测量方法可以有效完成大尺寸样品的总体和局部形貌的三维高分辨率测量及体积计算,且避免由光学测量方法引入的非线性误差.另外,采用更小的水平扫描步距(125 nm)可以减小5.82%的体积测量误差和38.12%的测量标准差,从而提高了系统测量的准确性和稳定性.

扫描离子电导显微镜在生物学研究的应用

扫描离子电导显微镜(Scanning ion conductance microscopy,SICM)作为一种新型的多功能技术,在整个组织,单细胞和亚细胞水平,能够在纳米水平对样品进行检测的扫描探针显微镜,通过测定超微玻璃探钟内的离子电流形成的反馈电流,它能非接触的对样品表面结构进行扫描,进而研究其功能。SICM可与共聚焦显微镜和膜片钳技术合用,还可在纳米水平动态膜形态和各种功能参数的分析(细胞体积,膜电位,细胞收缩,单离子通道电流和细胞内信号转导的一些参数)。SICM提供了一个多通道成像功能的平台,适合于对生物体进行高分辨的动态和综合分析。

通过扫描离子电导显微镜探测水/硝基苯界面的结构

北京大学邵元华教授课题组最近报道了一种探测液／液界面（两互不相溶溶液界面）微观结构的新方法（Chem．Sci，2011，2：1523-1529）。该方法利用扫描离子电导显微镜（SICM）与内半径小于5nm的超微玻璃管探针相结合，获得了水／硝基苯（W／NB）界面的离子分布以及界面厚度等信息。

扫描隧道显微镜的进展——1989年第四届国际扫描隧道显微镜会议概况

直接观察物体中的单个原子象是科学家们长期奋斗的目标。八十年代初发展起来的扫描隧道显微镜 Scanning Tunneling Mi-croscope(简称 STM)是继场离子显微镜(FIM)和透射式电子显微镜(TEM)之后。

基于电流偏差补偿模型的SICM自适应控制

扫描离子电导显微镜(SICM)能够在非接触条件下获取样品表面纳米级形貌特性信息,可以在生理液态环境下实现对活体细胞等柔软样品无损成像。但是通过前期大量实验结果,发现在使用连续扫描模式时SICM扫描图像存在"拖尾"现象,导致图像失真,并限制了扫描成像速度。针对这一问题,结合SICM成像原理进行分析,得出电流逼近曲线高度非线性是产生这一现象的主要原因,并提出一种基于电流偏差补偿模型的SICM自适应控制方法。主要思想是建立电流偏差补偿模型,利用上一行扫描高度数据作为先验知识预测当前扫描点位置,并输入补偿模型得到新的电流偏差作为系统被控量。最后分别用新旧控制算法对标准栅格扫描图像进行成像效果对比,实验结果验证了该算法在一定扫描速度范围内能够有效地解决"拖尾"现象,明显减小图像失真,为进一步提高SICM系统成像质量和成像速度提供了一种有效的技术方法。

结合小波变换和双边滤波的SICM图像降噪算法

扫描离子电导显微镜(SICM)能够实现微纳米级的形貌测量,引起广大学者的关注研究。针对SICM形貌图像易受噪声污染,影响后续应用的问题,提出了一种基于小波分层阈值处理的双边滤波算法。针对SICM形貌图像的多特征融合噪声,采用伪中值滤波局部处理图像中的强斑点噪声,有机结合小波阈值去噪和双边滤波去除图像高频和低频噪声,最终得到去噪效果较好的形貌图像。通过仿真实验和实测实验进行多次验证,该算法对比中值滤波、双边滤波和小波去噪3种去噪算法,其峰值信噪比提升幅度均大于9.8%。实验表明该算法在SICM形貌图像去噪方面具有更大优势。

扫描离子电导显微镜在细胞表征中的应用研究

细胞的微观形貌、电学和力学功能在细胞生物学研究中具有重要意义.但传统细胞表征方法无法实现对活体细胞微/纳观尺度的无损、原位表征.扫描离子电导显微镜(scanning ion conductance microscopy, SICM)作为新型的扫描探针显微镜技术,由于非接触式扫描模式及纳米探针的使用,可实现对活细胞无损、高分辨地实时表征,近年来被广泛用于各种细胞生物学和细胞表征研究中.本综述主要介绍了SICM的发展历史及其在细胞表征中的应用.首先介绍SICM的仪器组成和工作原理、三种常见的工作模式及优缺点,之后分类介绍SICM在细胞生物学领域的应用进展,包括SICM在细胞形貌表征、细胞电学性质和力学性质研究中的具体应用实例,总结和比较了SICM与传统细胞生物学表征方法在细胞原位表征中的优势.最后,提出SICM在细胞表征方面面临的挑战,对其未来技术发展方向进行了展望.

利用探针跳跃式扫描离子电导显微镜研究活体神经细胞拓扑结构

探针跳跃模式扫描离子电导显微镜(HPSICM)技术是在克服传统连续负反馈控制扫描模式仅能扫描表面平坦的生物样品的不足后,所发展起来的一种新型非接触式高分辨率扫描探针显微镜(SPM)技术。本文简要地介绍了该技术的工作原理,并运用其在体外培养条件下分别对活体SK-N-SH神经母细胞瘤细胞和经神经生长因子(Never growth factor,NGF)诱导分化的神经元样PC12细胞的三维形貌进行了高分辨率扫描成像,为在生理条件下研究神经细胞的表面微观结构及其动态变化提供了一种全新的显微观测手段。

基于扫描离子电导显微镜负反馈扫描控制技术的高分辨率膜片钳技术

细胞膜表面精细结构中的离子通道具有重要的生理功能。为了克服目前利用光学显微镜进行微电极定位的传统膜片钳技术分辨率的不足,本实验室将扫描离子电导显微镜技术(scanning ion conductance microscopy,SICM)与商用膜片钳技术相结合,构建了基于SICM负反馈扫描控制技术的高分辨率膜片钳技术。我们首先运用SICM负反馈技术控制纳米尺度玻璃微探针进行活体细胞表面的非接触扫描,获得细胞膜表面微结构的高分辨率成像,而后运用SICM负反馈控制技术操控该微探针在细胞膜表面非接触地移动并将其精确定位于扫描成像中感兴趣的膜表面纳米尺度微结构上方,最后利用该微探针作为膜片钳记录电极实现对此微结构的高分辨率电生理信号记录。为了检验该技术实现高分辨率离子通道记录的能力,分别在活体单层膜犬肾上皮(MDCK)细胞膜的微绒毛、细胞间的紧密连接等纳米尺度微结构上进行了细胞贴附式离子通道记录,结果显示MDCK细胞膜微绒毛的离子通道在钳制电压(pipette holding potential)为-100、-60、-40、0、+40、+60、+100mV条件下处于开放状态,而MDCK细胞间的紧密连接处在钳制电压为-100、-40、0、+40、+100mV条件下未检出有离子通道开放动作。结果提示,我们构建的高分辨率膜片钳技术实现了微探针的准确定位及特定纳米尺度微结构上的高分辨率膜片钳记录,为活体生物样品表面离子通道的空间分布及其功能研究提供了一种有效的工具。

跳跃探针式离子电导显微镜技术及其在生物学研究中的应用

跳跃探针式离子电导显微镜(hopping probe ion conductance microscopy,HPICM)技术是一种新型的扫描探针显微镜(scanning probe microscopy,SPM)技术,其能够在生理条件对形态复杂的活体生物样品进行非接触式的纳米尺寸成像。这项新技术克服了传统扫描离子电导显微镜(scanning ion conductance microscopy,SICM)连续负反馈控制会造成样品和探针损坏的缺点,扩大了SICM在生物学研究中的应用范围。本文综述了HPICM技术的基本原理,结合国内外研究现状介绍了HPICM在生物学领域的应用,并对其发展趋势进行了展望。

新型两性聚丙烯酰胺干强剂的开发和应用

由于废纸纤维的反复回用次数越来越多.其纸浆纤维的质量越来越差,加之新鲜水的消耗受到限制,造纸过程中水的电导率(EC)变得越来越高,造纸工艺正在经历着湿部环境的变化。这些变化,使得制浆中添加的化学品效果变差。为此,日本企业开发了能适应这一湿部环境变化的、高性能的新型两性聚丙烯酰胺(PAM)干强剂。该文介绍了开发这一新型干强剂的基本情况:通过扫描探针显微镜(SPM)对由两性聚丙烯酰胺形成的聚离子复合物(PIC)进行了可视化分析研究;采用扫描探针显微镜获得了定着在水溶液中纤维表面的清晰的、具有不同的定着状态和絮团尺寸的聚离子复合物照片;研究发现,聚离子复合物定着状态和絮团尺寸似乎取决于其聚离子复合物类型和湿部条件,如高电导率的水会阻碍聚离子复合物的形成,从而降低了其絮团尺寸,因此新开发的干强剂具有在较高电导率的情况下也能形成大尺寸絮团的特性,这一特性可以使纸张获得比传统产品更高的干强度。

急性脑梗死患者采取抗血小板治疗的效果

目的探讨阿司匹林和氯吡格雷对患者体内血小板活化及血小板衍生膜微粒(PMPs)释放的影响。方法随机选取2013年10月-2015年9月期间天津市永久医院收治的急性脑梗死患者40例作为此次研究对象,依据随机数字表法分为阿司匹林组和联合用药组各20例,阿司匹林组给予阿司匹林治疗,联合用药组给予阿司匹林联合氯吡格雷治疗,观察两组患者治疗前后血小板膜表面三维拓扑结构,并对PMPs进行定量检测比较。结果两组患者治疗后扁平型血小板(LDSS)的比例都明显增加,其中联合组增加更显著;而血浆中PMPs数量和比例都减少,其中联合用药组的PMPs减少更显著,差异均有统计学意义(P <0.05)。结论阿司匹林联合氯吡格雷进行抗血小板治疗的效果优于单独使用阿司匹林的效果。

外源性化合物心脏毒性体外研究新进展

外源性化合物导致的心脏毒性问题一直是毒理学研究中的一个非常重要的关注点。心脏毒性体外研究可以降低研究成本,缩短实验周期,在心脏毒性研究中起重要作用。传统的心脏毒性体外研究方法常存在通量低、操作复杂、预测准确性不好等缺点。近年来,随着科学技术的不断发展,新的心脏毒性研究技术和方法不断出现,包括实时x CELLigence细胞分析技术、微电极阵列技术、扫描离子电导显微镜技术、新型线粒体膜电位检测技术、in-silico模型及新型心肌损伤生物标志物等。本文主要就以上心脏毒性研究的新技术和方法进行了综述。