正极性低温漂显微镜

扫描探针显微镜（SPM）能够在样品表面的不同位置以及不同温度和磁场下关联材料的性质，如磁化、极化、开尔文电位、电导率和形貌等，是一种应用较为广泛的技术。原子力显微镜（AFM）为扫描探针显微镜家族的一员，具有纳米级的分辨能力，其操作容易简便，是目前研究纳米科技和材料分析的重要工具之一。基于此，attocube不断研发升级低温attoAFM I显微镜的各种功能，以得到不同模式下的多种重要表征数据。图1. 低温原子力显微镜的各种可选升级模式: MFM, PFM, ct-AFM, KPFM 本文将介绍attocube客户通过attoAFM I及其相关升级功能所获得的一些显著测量结果。结果将关联电极化（PFM）、定量开尔文势（KPFM）、定性开尔文电位（EFM）、电导率（ct -AFM）和形貌（topo）等。 KPFM, EFM, PFM & TOPO铁电半导体光电晶体管微光光电探测器（3LPD）在量子通信、自适应光学和空间成像等广泛应用中备受追捧。程志海教授（中国人民大学）和王振兴研究员（国家纳米科学中心）领导的团队制造并表征了具有固有高增益的低光级铁电半导体光电晶体管（FSP），其特点是光致铁电开关。通过将FSP设置为非易失性极化状态，实现极低的暗电流和高电阻状态(HRS)。为了解光电响应机制，作者采用了实空间成像与输运测量相结合的方法。在输运测量的基础上，在FSP器件上进行了原位EFM和KPFM测量，其中铁电半导体通道通过PFM识别。未载流状态下的KPFM测量证实了FSP的光致铁电转换，载流状态下的EFM验证了FSP的光响应性质。此外，原位的输运测量进一步验证了FSP的光响应性质。这些相关测量是通过attoDRY2100低温恒温器中的attoAFM I显微镜（升级了KPFM和PFM功能）实现的。由于其低工作电压、高性能和简单的结构，该FSP器件显示了新一代微光光电探测器的潜力。图2 ：左图为FPS器件的形貌图和未载流状态下的KPFM测量；右图为线扫形貌图和载流状态下的EFM测量数据参考文献：J. Yang et al., Adv. Funct. Mater. 2022, 2205468 (2022) ct-AFM, PFM & TOPO量子材料中的导电畴壁导电畴壁（DW）是准二维导电路径，可在原位创建、定位和移除，为可重写纳米电子器件提供了机会。导电畴壁通常出现在宽带隙铁电体中，通常是响应极性不连续处的电荷积累而形成。István Kézsmárki（德国奥格斯堡大学）表明，导电畴壁也可以存在于窄间隙莫特绝缘体中。在这种情况下，纳米级导电路径的形成是因为畴壁周围的应变梯度改变了带结构。该团队在attoLIQUID2000低温恒温器中使用了带有ct-AFM升级和PFM升级的attoAFM I显微镜，将材料（GaV4S8）冷却到Jahn-Teller转变（~43K）以下，直接对电导率、形貌和压电响应进行成像。由此，他们排除了极性不连续性模型作为原点，而是将DW周围电导率的增加与表面重建高度的平方相关联：这是Jahn-Teller跃迁中产生的体积应变的特征。这有效地显示了一种利用应变梯度诱导的带结构变化来创建纳米级传导路径的新机制。这为畴壁纳米电子学的许多新材料打开了全新的大门。图3： cAFM图像显示GaV4S8中的导电之字形畴壁，明亮的颜色显示导电性增加参考文献：L. Puntigam et al., Adv. Electron. Mater. 2022, 2200366 (2022)PFM & TOPO磁电相变对称性破缺的复合氧化物可以呈现出各种各样的、突现的相。这可以通过设计复杂氧化物的超晶格来实现。张金星教授（中国北京师范大学）团队通过交替堆叠Ruddlesden–Popper和钙钛矿氧化物构建了超晶格，这导致了人工设计的铁电和磁电（ME）相变。通过在attoDRY1000低温恒温器中使用具有PFM功能的attoAFM I显微镜进行测量，PFM实验数据验证了温度低于90K时铁电畴的存在。通过布里渊光散射验证了Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMI）和净磁化的伴随存在。此外，外部磁场抑制了电极化，证实了直接ME效应的存在。这项研究表明，界面DMI工程是在具有关联电子的系统中生成奇异相和有序的一种很有前途的工具。图4： 超晶格在3.7K下的PFM图像，图中相对暗和亮对比表示向上和向下的铁电畴 参考文献：X. Liu et al., Nature Commun. 12, 5453 (2021) 低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM/MFM I主要技术特点：-温度范围：1.8K ..300 K-磁场范围：0...9T (取决于磁体, 可选12T，9T-3T矢量磁体等)-工作模式：AFM（接触式与非接触式）, MFM-样品定位范围：5×5×4.8 mm3-扫描范围: 50×50 μm2@300 K, 30×30 μm2@4 K -商业化探针-可升级PFM, ct-AFM, CFM，cryoRAMAN, atto3DR等功能图5. 低温强磁场原子力磁力显微镜以及attoDRY2100低温恒温器（点击查看详情）

低温在凝聚态物理研究中扮演越来越重要的角色，是对多体系统中强相互作用的复杂行为开展深入研究的必要条件。随着液氦资源的日趋紧张和无液氦制冷技术的不断发展，基于无液氦制冷的设备将逐步成为低温科研仪器的主流方向。迄今为止，磁共振成像、超导磁体、综合物性测量系统等诸多仪器设备已实现了无液氦化。然而，具有亚原子分辨能力的扫描探针显微系统（SPM）对震动水平的要求极为苛刻，因此实现无液氦闭循环制冷技术在低温SPM领域的应用面临挑战。近十年来，世界上多个团队和公司尝试将制冷机安装在扫描单元附近实现无液氦低温SPM，而单级制冷的基础温度仅能达约5K水平，且制冷机震动对成像的影响仍然显著。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心郇庆研究团队（N13组）致力于高端科研仪器的研发与应用，在真空、低温、材料制备等领域核心关键部件、成套系统、电路控制系统方面取得了系列成果。高鸿钧院士团队（N04组）多年来致力于扫描探针显微学及其在低维量子结构方面的应用，在前沿科学研究取得一系列重要突破。N13组和N04组长期合作，陆续在尖端科研仪器装备自主研发方向取得一系列重要进展：一套商业化四探针SPM系统的彻底改造、超高真空光学-低温扫描探针显微镜联合系统的研制和应用于多探针显微镜的分时复用电路系统等。合作团队再次“仪器”携手，攻关新一代无液氦低温SPM技术。该研究研制了一套无液氦亚3K低温SPM系统。这一系统颠覆了现有无液氦SPM近端安装制冷机的方式，将低频大幅震动的制冷机安装在远端的独立制冷腔体。通过数月的连续测试验证，该设备实现了~2.8K的基础温度、接近±0.1mK的温度稳定性、约1pm震动水平、小于10pm/h的温度漂移，能够从低温到室温宽温区内连续变温成像。在非接触原子力显微镜原子级分辨成像、扫描隧道谱以及非弹性电子隧道谱的性能方面，该系统达到了与传统液氦杜瓦的湿式SPM系统相媲美的水平。相较已有无液氦SPM方案存在制冷机近端安装带来的诸多问题（不耐烘烤、磁场敏感、安装角度受限、橡胶波纹管透气结冰和难以升级等），这种闭循环远端制冷方案展现了多方面的优势：高性能：少量氦气（~10 L）实现3K以下基础温度，并可长时间连续运行，震动水平与湿式系统相当；拓展性：利用此远端液化4He方案预冷3He方便实现亚开尔文范围拓展；兼容性：与强磁场、光学通路等其他物理环境的良好兼容性，显著降低来自制冷机的电磁干扰；灵活性：便捷地将现有湿式SPM系统改造为无液氦SPM，并可应用在其他需求低温且对振动敏感的领域。这一闭循环无液氦低温SPM实现了TRL8级的技术就绪度。近期，相关研究成果发表在《科学仪器评论》上（Review Scientific of Instruments，DOI：10.1063/5.0165089）。该工作将为凝聚态物理研究、材料科学、生物医学等领域提供高性能的低温超低振动解决方案，并有望推动相关领域的研究取得更大突破。一位审稿人评价道：“在我看来，采用氦连续流低温恒温器和低温制冷机技术相结合的理念来解决无液氦低温扫描探针显微镜及相关领域长期存在的隔振问题，不仅具有创新性，而且鉴于世界范围内的液氦短缺困境，该技术方案的提出十分重要且及时。”研究工作得到国家杰出青年科学基金项目、中国科学院关键技术研发团队项目、国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金青年科学基金项目和北京市科技计划怀柔科学中心项目的支持。图1. 新一代无液氦亚3K低温扫描探针显微镜的三维模型和原理图。图2. （a）基于连续流液氦恒温器的降温效果；（b）闭循环无液氦远端制冷的降温效果；（c）载入样品后的温度变化；（d）样品在4K温度的稳定性。图3. Au(111)和Ag(110)表面的成像测试和谱学表征。图4. Ag(110)表面CO分子的拾取和二阶谱学表征与谱学成像。图5. qPlus AFM探针在NaCl(100)表面的测试结果。图6. 已有基于液氦杜瓦的湿式SPM系统升级成远端制冷闭循环无液氦SPM的方案示意图。

p style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201509/noimg/fea33c3e-9d39-4848-8e95-052ebaa33259.jpg" title="1.jpg"//pp　　strongX射线晶体衍射技术(X-RAY CRYSTALLOGRAPHY)即将成为历史，低温电子显微技术(CRYO-ELECTRON MICROSCOPY)引起了揭示细胞内隐秘机制的革命。/strong/pp　　在剑桥大学一幢建筑的地下室里，一场技术革命正在酝酿。/pp　　一个笨重的、大约3米高的金属盒子通过连接细胞的橙色缆线，安安静静地传输着以万亿字节计算的数据。这是世界上最先进的低温电子显微镜之一：低温电子显微镜通过电子束对冷冻的生物分子进行成像，从而得到分子的三维结构。站在这个耗资770万美金的仪器旁，英国医学研究委员会分子生物学实验室(UK Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology, LMB)的结构生物学家 Sjors Scheres表示，低温电子显微镜非常敏感，一声喊叫就会带来极大误差，导致实验失败。“英国需要更多低温电子显微镜，因为未来它会成为结构生物学的主流。”/pp　　低温电子显微镜震惊了结构生物学。过去30年里，低温电子显微镜揭示了核糖体、膜蛋白和其它关键细胞蛋白的精细结构。这些发现都发表在顶级杂志上。结构生物学家们表示，毫不夸张地说，低温电子显微技术正处于革命之中：低温电子显微镜能够快速生成高分辨率的分子模型，这一点远超X射线晶体衍射等方法。依靠旧方法获得诺奖的实验室也在努力学习这一技术。这种新模型能够准确地揭示细胞运行的必要机制，以及如何靶向针对疾病相关的蛋白。/pp　　“低温电子显微镜能够解决很多以前无法解决的谜题。”旧金山加利福利亚大学(University of California)的结构生物学家David Agard这样说道。/pp　　几年前Scheres被招进LMB，任务是帮助改进低温电子显微镜，最终他成功了。上个月，他们发表了这个领域最令人振奋的成就：阿兹海默症相关的酶的高清图片，图片包括该酶的1200左右个氨基酸，分辨率达到零点几纳米。/pp　　生物学家们如今仍在努力发展该技术，以期用它解决小分子或可变形分子的精微结构——这对低温电子显微镜来说，也是一大挑战。来自加利福利亚大学(University of California)的结构生物学家Eva Nogales表示，叫它革命也好，飞跃也好，低温电子显微镜的确打开了一扇大门。/pp　strong　蛋白结晶/strong/pp　　结构生物学领域有一条不成文的观点：结构决定功能。只有知道生物分子的原子排布，研究者们才能了解这个蛋白的功能。例如，核糖体是如何根据mRNA的序列来制造蛋白，分子孔道是如何开和关的。几十年来，分析蛋白结构有一个无冕之王——X射线晶体衍射。在X射线晶体衍射中，科学家们让蛋白结晶，接着利用X射线照射，随后根据X射线的衍射来重建蛋白的结构。在蛋白质数据银行(Protein Data Bank)的100,000多条蛋白词目里，超过90%的蛋白结构是利用X射线晶体衍射技术解析得到的。很多诺贝尔奖也与这一技术相关，例如1962年揭示DNA双链螺旋结构的诺奖。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201509/noimg/fe5402ce-8a68-46ea-a731-d1b2f037ea42.jpg" title="2.jpg"//pp　　尽管X射线晶体衍射一直是结构生物学家的最佳工具，但是它有较大的限制。科学家们可能需要几年才能找到把蛋白形成大块结晶的方法。而很多基础蛋白分子，例如嵌在细胞膜上的蛋白，或是形成复合体的蛋白却无法被结晶。/pp　　当Richard Henderson 1973年到LMB，研究菌视紫红质(一种利用光把质子运进膜内的蛋白)结构时，X射线晶体衍射是首选工具。Henderson和他的同事Nigel Unwin成功地做出了该蛋白的二维结晶，但却不适用于X射线衍射。因此他们决定使用电子显微镜。/pp　　当时，电子显微镜主要用于研究用重金属染过色的病毒或组织切片。一束光子打在样本上，新生的电子被检测到，被用于解析样本结构。这种方法成功制作了第一幅病毒的精微图片——一种烟草病毒。但染色导致无法看清各个蛋白，更不要说原子细节了。Agarad表示，样本上要么满是斑点，要么没染上，你只能看到分子的轮廓。/pp　　Herderson等人省略了染色的步骤，把菌视紫红质的单层晶体放到金属网格中，然后用电子显微镜进行成像。Agard表示，这个过程里，你看到的是蛋白的原子。这在当时是很大的进步，因为当时人们都认为不可能利用电子显微镜解析蛋白结构。Henderson等人在1975年发表了这一成果。/pp　　20世纪80年代和90年代，低温电子显微镜领域发展迅速。一个关键性突破是利用液态乙烷来快速冷冻蛋白溶液。这也是为什么叫低温电子显微镜的原因。但这个技术的分辨率仅为1纳米，远远达不到针对蛋白结构进行药物设计的需求。而当时X射线晶体衍射的分辨率能达到0.4纳米。NIH等资助者投入了数亿美金来支持蛋白晶体领域的发展，但对于低温电子显微镜领域的资助却很少。/pp　　1997年，Henderson参加了高登研究会议(Gordon Research Conference )关于3D电子显微镜的年会。一位同事以这样的话做为开幕致词，“低温电子显微镜技术非常有限，不可能超越X射线晶体衍射。” 但Henderson的想法完全不同，在下一场发言中，他做出了反击。Henderson指出，低温电子显微镜会超越其它各种技术，成为全球研究蛋白结构的主流工具。/pp　strong　革命由此开始/strong/pp　　在此之后，Henderson等人致力于提高电子显微镜的性能——尤其是感知电子的灵敏度。在数码相机席卷全球很多年后，很多电子显微镜学家仍然倾向于使用传统的胶片，因为比起数码感应器，胶片能更有效地记录电子。与显微镜生产商合作时，研究者们发明了一种新的直接电子探测器，这种探测器的灵敏度远高于胶片和数码相机探测器。/pp　　大约在2012年，这种探测器能够以一分钟几十帧的高速得到单个分子原子的连续图像。同时，和Scheres一样的研究者们精心编写了将多张2D图片建成3D模型的软件程序。这些3D图像的画质可以媲美X射线晶体衍射获得的图像。/pp　　低温电子显微镜适用于研究大的、稳定的分子，这些分子能够承受电子的轰击，而不发生变形——由多个蛋白组成的分子机器是最好的样本。因此由RNA紧紧围绕的核糖体是最佳的样本。三位化学家用X射线晶体衍射研究核糖体溶液的工作在2009年获得了诺贝尔化学奖，但这些工作花了几十年。近几年，低温电镜研究者们也陷入了“核糖体热”。多个团队研究了多种生物的核糖体，包括人类核糖体的首个高清模型。X射线晶体衍射的研究成果远远落后于LMB的Venki Ramakrishnan实验室，Venki获得了2009年的诺奖。Venki表示，对于大分子来说，低温电子显微镜远比X射线晶体衍射要实用。/pp　　这几年，低温电子显微镜的相关文章有很多：2015年一年，这个技术就用于100多个分子的结构研究。X-射线晶体衍射只能对单个、静态的蛋白晶体成像，但低温电子显微镜能够对蛋白的多种构象进行成像，帮助科学家们推断蛋白的功能。/pp　　5月，多伦多大学(University of Toronto)结构生物学家John Rubinstein等人使用了100,000张低温电子显微镜图片来生成V-ATPase 的“分子电影”，V-ATPase的作用是消耗ATP，把质子运进运出细胞液泡。”我们发现，这个酶非常灵活，可以弯折、扭曲和变型。” Rubinstein说道。他认为，这是由于这个酶的灵活性，它能够高效地把ATP 释放的能量传递到质子泵。/pp　　2013年Nogales的团队拼接了调控DNA转录成RNA的复合体的结构。他们发现，复合体的一个臂上悬挂着紧绕DNA链的10纳米结构，这段结构可能影响基因转录。Nogales表示，这个结构很漂亮，它可以帮助我们分析这个分子起作用的机制。/pp　strong　小而漂亮/strong/pp　　现在低温电镜迅猛发展，专家们正在寻找更大的挑战作为下一个解析目标。对很多人来说，最想解析的是夹在细胞膜内的蛋白。这些蛋白是细胞信号通路中的关键分子，也是比较热门的药物靶标。这些蛋白很难结晶，而低温电子显微镜不大可能对单个蛋白进行成像，这是因为很难从背景噪音中提取这些信号。/pp　　这些困难都无法阻挡加利福利亚大学(University of California)的生物物理学家程亦凡。他计划解析一种细小的膜蛋白TRPV1。TRPV1是检测辣椒中引起灼烧感的物质的受体，并与其它痛感蛋白紧密相关。加利福利亚大学病理学家David Julius等人之前尝试结晶TRPV1，结果失败。用低温电子显微镜解析TRPV1项目，一开始进展缓慢。但2013年底，技术进步使得这一项目有了重大突破，他们获得了分辨率为0.34纳米的TRPV1蛋白的结构。该成果的发表对于领域来说，无异于惊雷。因为这证实了低温电子显微镜能够解析小的、重要的分子。“当我看到TRPV1的结构时，我激动得一晚上睡不着觉。”Rubinstein说道。/pp　　研究者们可能面临更多这样无眠的夜晚。Agard表示，会有更多膜蛋白相继被解析出来。/pp　　上个月由Scheres和清华大学的结构生物学家施一公合作发表的一篇文章就成功解析了一个膜蛋白。他们建立了& #947 -分泌酶的模型，& #947 -分泌酶负责合成与阿兹海默症相关的& #946 -淀粉斑。0.34纳米分辨率的图谱显示，比较少见的遗传性阿尔茨海默病的& #947 -分泌酶突变后会在图谱上呈现两个“热点”(突变或者重组频率显著增加的位点)，并且这种突变最终会合成有毒性的& #946 -淀粉斑。& #947 -分泌酶的结构图帮助研究者发现为什么以往的抑制剂会无效，从而促进新药的研发。程亦凡表示，& #947 -分泌酶的结构非常惊人。/pp　　类似的成功吸引了制药公司的注意。他们希望借助低温电子显微镜去解析那些无法结晶的蛋白，从而更好地研发药物。Scheres如今和辉瑞公司合作，攻克离子通道。离子通道包含很多膜蛋白，例如痛感受分子和神经递质受体。“我几乎被每一个人联系过。”Nogales这样说道。/pp　　尽管低温电子显微镜发展迅速，很多研究者认为，它仍有巨大提升空间。他们希望能制造出更灵敏的电子探测器，以及更好地制备蛋白样本的方法。这样的话，就能够对更小的、更动态的分子进行成像，并且分辨率更高。5月，有研究者发表了一篇细菌蛋白的结构，分辨率达到了0.22纳米。这也显示了低温显微镜的潜力。/pp　　与任何热门领域一样，低温电子显微镜的发展也有烦恼。一些专家担心研究者们盲目追求该仪器会诱发一些问题。2013年HIV表面蛋白的结构图遭到了科学家们的质疑，他们认为用于建模的图片很多都是白噪声。此后，其他团队得到的X射线晶体衍射和低温电子显微镜模型也对原模型提出了质疑。但这些研究者们坚持相信自己的结果。今年6月，在高登研究会议(Gordon Research Conference )上，研究者们希望低温电子显微镜的结构图要有严格的质量控制。并且杂志要求作者们提供详细的建模方法。/pp　　成本问题可能会限制低温电子显微镜的推广。Scheres估计，LMB每天用于支持低温电子显微镜的经费就达到近3万人民币，外加近1万的电费——这是由于存储和处理图片的电脑耗电量很大。Scheres表示，每天至少要花费近4万人民币，对于很多地方来说，这个费用太高。为了推广低温电子显微镜，很多基金会建立了对外公开的设备，各地研究者们可以预约使用。霍华德· 休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute, HHMI)在珍利亚农场研究园区配备了一台。这台设备对所有HHMI资金的研究者公开。在英国，政府和维康信托在牛津大学附近建立了低温电镜公开使用平台。参与该平台搭建的伦敦大学(University of London)的结构生物学家Helen Saibil表示，有很多人想学习使用低温电镜。/pp　　洛克菲勒大学(Rockefeller University)的生物物理学家Rod MacKinnon就是这些人之一。他在2003年因解析一些离子通道的结晶结构而获得诺贝尔奖。MacKinnon现在对低温电镜非常着迷。“我现在处于学习曲线的斜坡阶段，非常热切。” MacKinnon这样说道。他打算用低温电镜来研究离子通道是如何开和关的。/pp　　1997年时，Henderson非常坚定地宣称，低温电镜会成为解析蛋白结构的主流工具。在将近20年后的今天，他的预测比当年有了更多底气。Henderson表示，如果低温电镜保持这样的势头继续发展，技术问题也得以解决，那么低温电镜不仅会成为解析蛋白结构的第一选择，而是主流选择。这个目标已经离我们不远了。/pp　　原文检索：/pp　　Ewen Callaway. (2015) The revolution will not be crystallized. Nature, 525(7568):172-174./p