Nature Communication: 原子力显微镜与纳米钻石结合测量细胞力学性能

原子力显微镜已经广泛的用于测量细胞及各种软样品的力学性能。原子力显微镜可以将探针针尖压入样品，通过Hertz、DMT、Sneddon等接触模型拟合压入或回撤段力对距离曲线，得到样品的模量、粘附力等信息。这些接触模型都需要了解有关接触区域的各种详细信息，例如接触面积、针尖几何尺寸、压入速度、接触点位置等等。这些信息往往是难以精确测量的。使用不同探针、仪器，不同实验人员即使对同一种样品进行力学性质测量，得到数据也往往无法保持一致。在这篇2019年的Nature Communication文献¹中香港中文大学的Ren-Bao Liu与Quan Li使用自己开发的纳米金刚石定位传感器系统与原子力显微镜结合可以在不考虑接触区域的情况下，得到非局域样品的模量与表面张力数据。

如上图a所示，使用原子力显微镜探针对样品进行纳米压入并在样品周围固定纳米金刚石（nanodiamond, ND）。探针压入导致样品发生形变，纳米金刚石的氮-空位中心（Nitrogen-Vacancy center）就会发生旋转。这一个旋转可以使用光学探测磁共振技术（Optically detected Magnetic Resonance, ODMR. 上图b, c, d, e）进行测量。上图f中绿色曲线为纳米金刚石的旋转角度与针尖距离曲线；通过拟合可以得到蓝色的样品压入深度与针尖距离曲线。使用此种方法，不需要考虑针尖与样品接触位置的局域信息即可得到压入点周围的非局域信息。

为了验证纳米金刚石定位传感器系统在细胞模量与表面张力中的应用，在这篇2022年的Nano Letter中作者使用Bruker生物性原子力显微镜Resolve和曲率半径为65nm的预先校准探针PFQNM-LC-CAL-A探针在固定海拉细胞上进行纳米压入实验²。上图a为海拉细胞的原子力显微镜形貌图像，b为共聚焦图像。图中虚线标出单个细胞，a图中的绿色六边形和b图中的白色三角是纳米金刚石。利用PFQNM-LC-CAL-A针尖的轴对称特性，可以很容易利用纳米金刚石的旋转角度与针尖距离曲线重构出压入区域的形貌（上图e）；利用Hajji方程，可以拟合出海拉细胞的弹性模量与表面张力（上图h与i）。在上图i中，虚线为使用Hertz-Sneddon模型拟合得到的压入曲线，绿色为使用Hajji方程拟合得到的压入曲线。可以看到Hajji曲线明显更加符合绿色三角形的实验数据。

使用金刚石定位传感器系统对21个细胞测试得到固定海拉细胞模量为97 ± 67 kPa，表面张力为8 ± 6 mN/m。使用Hertz-Sneddon模型不考虑表面张力的影响，拟合得到固定海拉细胞模量为308 ± 129 kPa。这表明如果忽略表面张力会高估样品的表观弹性模量，低估样品的刚度变化。

在这篇文献中，作者使用了布鲁克生物型原子力显微镜和布鲁克专门为细胞模量测量而开发的PFQNM-LC-CAL-A探针。作者使用生物型原子力显微镜与细胞模量测试探针在海拉细胞表面进行非破坏性压入，结合自主开发设计的纳米金刚石定位传感系统可以得到非局域性的细胞表面模量与张力性质。这为现有的生物样品与软样品原子力显微镜力学测试提供了很好的帮助。

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原文链接：

Xia, K., Liu, CF., Leong, WH. et al. Nanometer-precision non-local deformation reconstruction using nanodiamond sensing. Nat Commun 10, 3259 (2019).

Cui, Yue, et al. "Revealing Capillarity in AFM Indentation of Cells by Nanodiamond-Based Nonlocal Deformation Sensing." Nano Letters (2022).

布鲁克最新生物型原子力显微镜NanoWizard V:

https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/microscopes/bioafm/jpk-nanowizard-v-bioscience.html