基于AFM的活性生物样品宽带纳米力学特性测量技术研究

发布时间：2020-08-07 12:21

【摘要】：原子力显微镜(AFM)综合运用微弱信号检测、高速数据采集、数字信号处理、自动控制、精密机械等现代科技成果,能够实现原子尺度成像、表面功能研究、原子间力测量以及可控原子(分子)操作等功能,是目前纳米科技的核心支撑技术之一。在纳米生物学领域,AFM也是细胞生物学和分子生物学研究的重要工具,它不仅可以在生理条件下以纳米尺度的分辨率对单个活细胞进行表面成像,而且能够实现对活细胞纳米力学特性的定量测试研究。然而,现有的商用AFM系统普遍具有扫描速度低、激励带宽窄、容易损伤生物样品等缺陷,无法满足细胞及亚细胞生物学前沿研究领域的需求。针对以上问题,论文对基于AFM的活性生物样品宽带纳米力学特性测量技术展开了深入研究,提出并改进了AFM中基于迭代学习的前馈-反馈控制技术及实时信号处理技术,对活细胞宽带黏弹性动态特征演变规律的研究结果证明了方法的有效性,同时也为相关纳米生物学课题的进一步深入提供了新的思路。论文的主要研究内容及成果包括以下几个部分:1.讨论了一种适用于活性生物样本的、基于控制的宽带纳米压痕(CBN)精确测量方法。该方法基于改进的数据驱动无模型逆系统迭代控制(MIIC)技术,利用硬参照样品很好地克服了悬臂探针的相对加速度效应,并最大限度地减小了样品流体动力效应对测量的影响,能够在宽带激励力频率(如从0.1Hz到100Hz高达四个数量级范围变化的情况)下实现准确的压痕量化测量,同时保证细胞的生理活性,因而改善了活性生物样品AFM压痕测量的频率带宽和测量速度(也即时间分辨率)。2.提出了一种基于宽带动态频率响应的细胞弹性及黏弹性时变分析方法。该方法采用带限白噪声激励力,能够高速(相同频率覆盖范围内测量时间更短)完成宽频(1Hz~100Hz)、深压痕(可达几百nm)的活细胞纳米力学特性测量,通过可靠捕获细胞骨架对于外界刺激的动态反应,实现了对活细胞弹性模量、损耗模量等多种纳米力学动态特性的实时监测与定量分析,为生命科学领域相关问题的研究提供了新的思路。3.优化了一种面向在线实时反馈控制系统的高速数值计算框架。该框架采用最优时分FFT/时分IFFT算法(OTD-FFT/TD-IFFT)对经典FFT/IFFT的在线计算效率进行了改进,通过将数据序列的FFT/IFFT计算分配到不同采样周期,在有效减少单位采样周期计算复杂度的同时保持计算时延和性能不变,从而能够在相同的硬件平台上实现更短的闭环采样周期。系统采样频率的提升改善了在线实时反馈控制系统的速度与精度,基于新算法框架的实验AFM系统跟踪800Hz高速三角波轨迹时相对误差仅为5.44%(比经典FFT+IFFT算法系统低4倍以上)。该算法框架能够有效改善频率域迭代学习算法的实时运行效率,提高活细胞纳米力学特性实时宽带监测实验中硬参考样本上悬臂偏移轨迹跟踪环节的效率。论文将上述方法应用于纳米生物课题“高胆固醇对细胞纳米力学特性的影响研究”以及“细胞宽带黏弹性动态特征的刻画与表征方法研究”,发现并得到以下结论:1.高胆固醇对细胞纳米力学特性的影响:测试验证与数据分析结果表明,与未添加胆固醇的人类脐静脉内皮细胞(EA.hy926)相比,高胆固醇环境下EA.hy926细胞的杨氏模量及复模量均增加了30%以上,弹性及黏弹性振动周期不变(约200秒)、幅度增加了70%以上。胆固醇浓度对杨氏模量产生影响的原因可能是高胆固醇破坏了细胞膜的完整性,而胆固醇对细胞肌球蛋白活性的影响则导致了振动参数的变化。该实验结果揭示了在胆固醇浓度增加的情况下,胆固醇与细胞中肌球蛋白及膜下细胞骨架组织的关联关系,同时证明了论文方法的有效性。2.肌球蛋白对细胞纳米力学特性的影响:实时监测结果表明,人类前列腺肿瘤细胞(PC-3)的力学参数均符合指数规律,黏弹性振动周期为约为200秒,且该振动的幅度与细胞内的钙离子(Ca~(2+))密度及NMⅡ类马达蛋白活性强相关。该实验在包含较高频的宽频条件下对细胞黏弹性的动态演变规律进行了刻画与表征,为揭示细胞中肌球蛋白活性与细胞组织运动之间的关联关系提供了新的研究思路,并为未来的疾病及药物研究提供了很好的实验数据。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1
【图文】：

路线图,宏观尺寸,介观

NNI）”，随后又在 2005 年 5 月启动了“十年纳米医学路线图倡议”。2002年开始，日本政府将纳米技术与材料作为重点领域放入了《科学技术基本计划》（第二期）。欧盟则在第六框架计划（2002-2007）中开始将纳米技术和科学列为优先重点支持领域之一[1]。我国的纳米科技发展几乎与世界同步，继 2001 年发布《国家纳米科技发展纲要》之后，2006 年又在《国家中长期科学和技术发展规划》中将纳米科学列入基础科学研究的四个主要方向之一。经过近二十年的迅猛发展，今天的纳米技术就如同 20 世纪 50 年代的晶体管和集成电路技术，已经成为国家科技竞争力的代表，是全球范围内规模最大和最具有竞争力的研究领域之一。纳米科技可用于在介观（介于微观和宏观之间，如图 1-1 所示）尺度上对约0.1nm（10-10m）至 100nm（10-7m）大小的物质进行探索和控制[2]。在这一尺度下，由于物质的表面积与体积之比迅速增加，表面能迅速增大，物质会呈现出迥异于宏观物体和微观粒子的奇异特性。将纳米技术与传统学科进行融合、交叉、渗透，可以衍生出纳米生物学、纳米测量学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学等新兴学科，从而形成一张全新的复杂学科网络。

外观形貌,测试技术,显微镜,人类

电子科技大学博士学位论文要探索和控制纳米尺度的介观世界，首先必须要能对其结构和性能进行观测量。基于电磁辐射及运动粒子束与物质相互作用的物理效应所建立的各种与检测方法是纳米科技的重要组成部分（如图 1-2 所示），如用于外观形貌分各种显微技术、用于力学性能分析的纳米压痕测量技术、用于物相结构分析光拉曼光谱分析技术以及用于化学成分分析的原子荧光光谱分析技术等等。，各种各样的显微技术就是观察和认识介观世界最基本也是最重要的手段之

扫描隧道显微镜,针尖

关的物理、化学性质。STM 的发明标志着纳米技术研究的兴起认为 20 世纪 80 年代世界十大科技成就之一，格尔德和海因里了 1986 年的诺贝尔物理学奖。的组成结构及工作原理如图 1-3 所示。STM 主要由带有极细针于三维扫描驱动的压电陶瓷管、用于远程反馈的扫描控制器、示器等几个部分组成。与传统的各种光学显微镜和电子显微镜理是利用量子理论中的隧道效应：将原子线度的极细探针（针nm 的原子组成）和被测样品表面作为两个电极，当针尖与样品于 1nm），通过施加偏置电压就可以在针尖和样品表面之间形成电流[1]：，I 表示隧道电流，Vb表示针尖与样品表面之间的偏置电压，Ψ 为常数（真空条件下约等于 1），为针尖与样品的平均样品表面之间的距离（通常为 0.3~1nm）。

【参考文献】