《先进光子学研究》最近发表的一项研究探讨了如何通过改进原子力显微镜 (AFM) 技术来提高人类角膜上皮细胞 (HCET) 的高分辨率成像。

研究人员致力于提高液体环境中的光学检测灵敏度和图像质量，以更好地观察软生物样本的原生结构。

AFM在纳米级成像中的作用

自 1986 年推出以来，AFM 一直在纳米技术领域发挥着重要作用，为生物材料提供详细的可视化和分析。

它使研究人员能够在接近生理条件下，在细胞和分子水平上研究生物力学、物理和化学特性。这些能力使原子力显微镜 (AFM) 成为生物和医学研究的关键工具，尤其适用于对细胞、组织和微生物进行高精度成像。

诸如集成光学检测系统和流体腔等技术改进，使得在水环境中进行测量的同时，还能保持生物样本的完整性。然而，挑战依然存在，尤其是在保持横向分辨率、控制悬臂与样本相互作用以及提高信噪比 (SNR) 方面。

优化HCET细胞成像

本文作者优化了动态高频AFM中微悬臂的光学检测灵敏度，以增强HCET细胞的单细胞成像。

他们使用 Jupiter XR AFM 系统（Asylum Research）和 FMV-PT 悬臂，研究了沿悬臂的激光点定位如何影响动态响应和图像分辨率。

实验在磷酸盐缓冲液 (PBS) 中进行，以模拟生理条件。激光定位于四个点：靠近尖端、距基部 75% 处、中心以及距基部 25%。记录热噪声频谱以评估悬臂本征模并分析功率谱密度 (PSD)。

为了评估图像质量，该团队使用了多种指标，包括自然图像质量评估器 (NIQE)、互相关和清晰度分析。成像是在玻璃表面单层排列的单个 HCET 细胞上进行的。

通过调整激光位置和分析特征模，研究人员确定了提高灵敏度和分辨率的最佳条件。他们的框架为改善近天然状态生物样本的AFM成像提供了实用基础，对角膜健康研究和细胞生物力学具有重要意义。

激光定位和特征模选择的影响

研究结果表明，激光器的位置对成像性能有显著影响。将激光器放置在距离基座75%悬臂长度的位置，在使用第一和第二特征模式时，始终能获得最清晰的图像。相比之下，第三特征模式由于噪声较高，导致图像质量较低。

统计分析支持了这些观察结果：75% 位置的 NIQE 得分最低，清晰度最高。第一个特征模式被证明在捕捉软生物特征方面特别有效，能够提供增强的对比度和灵敏度。

互相关分析验证了在最佳激光位置下图像清晰度的提升。此外，相位映射显示了细胞表面的机械特性，包括能量耗散和粘附性，补充了形貌数据。

研究人员捕捉到了诸如微绒毛和糖萼层等精细的表面结构，这些结构对于理解细胞功能和角膜健康至关重要。该研究还记录了PSD如何随激光位置的变化，强调了激光对准、悬臂行为和流体相互作用之间复杂的动态关系。

这些见解建立了激光定位、特征模式选择和成像分辨率之间的明确联系。

对角膜健康和更广泛的生物医学研究的影响

这项研究具有重要的医学应用价值。通过改进AFM成像，研究人员实现了HCET细胞的精细可视化，从而更深入地了解角膜生物学、伤口愈合和眼部疾病。这些改进可以增强AFM在诊断中的作用，并支持眼科更有针对性的治疗。

除了眼部健康研究之外，这些方法还可应用于各种软生物样本，惠及癌症生物学、组织工程和药物输送等研究领域。结合 NIQE 和互相关等先进分析工具，进一步提升了 AFM 成像的可靠性。

或许最重要的是，在近生理条件下对活细胞进行成像的能力，为实时研究细胞相互作用、机械行为和疾病机制开辟了新的途径。本文概述的方法为未来生命科学和生物医学工程的研究提供了宝贵的指导。

结论：高分辨率AFM的下一步发展

这项研究标志着原子力显微镜成像技术，尤其是在单细胞分析领域迈出了意义非凡的一步。该研究表明，在处理HCET细胞等生物样本时，精准的激光定位和周到的特征模式选择可以显著提升图像质量。

对这些 AFM 参数进行微调可以提高分辨率和灵敏度，为未来的生物成像工作提供清晰的路径。

展望未来，整合多模态成像技术并将这些优化应用于更复杂的生物系统可以加深我们对细胞功能和疾病的理解，并最终提供更有效的诊断和治疗策略。

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