超精準可調節溫度控制模塊-VAHEAT

應用領域

超分辨活細胞成像

DNA生物學

微流控

相變

神經生物學

原子力顯微鏡

產品特點

溫度穩定性高：0.01℃

在長時間(小時到天)和短時間(秒到分鐘)下的溫度穩定性可至0.01°C (RMS)。通過樣品內部的直接溫度反饋，檢測和補償空氣流動、流體交換等引起的外部溫度變化。

溫控范圍廣：RT-200℃

根據用戶的實驗需要，實驗溫度范圍可以由RT-100℃(標準版)擴展至RT-200℃(擴展版)。標準版與油浸物鏡兼容，而擴展版可以與空氣物鏡兼容。

加熱速率

局部加熱和反饋機制使得視野內的溫度可以得到良好控制和快速變化。加熱速率高達 100℃/s。對于液體，加熱速率可以達到40℃/s。

Profile模式允許在100°C/s和0.1°C/h之間設置加熱和冷卻速率。

*的成像質量

在20°C到100°C的溫度范圍內，空氣物鏡視野中的圖像沒有變化。

在20°C到80°C的溫度范圍內，油浸物鏡和空氣物鏡中圖像質量橫向方向上沒有變化。

快速且可靠，用于油浸物鏡

VAHEAT可以讓用戶控制視場內的溫度，而不受顯微鏡物鏡類型或物鏡溫度的影響。該系統被設計為獨立的單元，不需要對光學設置(如物鏡加熱器)進行任何額外的修改，以避免在視野中出現溫度下降。此外，智能基板的設計確保了物鏡的性能即使在更高的溫度下也不會改變。

四種加熱模式

VAHEAT設有四種加熱模式，可根據用戶需求進行不同的實驗。

自動模式（AUTO）：通過PID控制回路，以保持樣品在所需的溫度。

直接模式（DIRECT）：直接控制加熱功率，閉環控制，快速加熱。

脈沖模式（SHOCK）：類似于定時的DIRECT模式，規定時間內多次對樣品進行加熱。

自定義模式（PROFILE）：自定義設置目標加熱率、冷卻率和保持時間。適用于溫度變化相關的化學反應，如：相變。

設備兼容性高

VAHEAT配有專用的顯微鏡適配器，可以兼容市面上絕大多數商業顯微鏡，同時兼容多種成像技術：

全內反射顯微鏡 (TIRM)

共聚焦顯微鏡

干涉散射顯微鏡（iSCAT）

原子力顯微鏡（AFM）

超分辨顯微鏡（SIM, STORM, PALM, PAINT, STED）

寬場顯微鏡

組成部分

控制器

控制單元作為用戶與樣品溫度控制之間的載體，可以實時顯示當前的溫度，并且可以通過旋鈕輕松地調節溫度。一個USB接口授予遠程控制、同步系統參數、圖像采集功能。具有四種加熱模式。

智能基板

智能基板取代了傳統的蓋玻片。集成的加熱元件與高靈敏度的溫度傳感器可以在不影響成像質量的情況下快速、精確地控制視場內的溫度。

顯微鏡適配器

用戶軟件界面

配套軟件可以遠程控制VAHEAT設備，編程任意溫度曲線并將溫度數據流式傳輸到本地硬盤。可通過軟件來精確和實時控制樣品溫度和當前加熱功率。

應用案例

活細胞成像

活細胞對溫度的變化非常敏感，傳統的加熱儀一般采用大型的環境箱，溫度測量距離樣品很遠，溫度變化非常緩慢，顯微鏡需要幾個小時才能達到熱平衡，緩慢的平衡也意味著與溫度相關的樣品漂移更顯著。同時，顯微鏡載物臺、框架和物鏡可以充當散熱器，抵消樣品加熱系統的作用。在這種靜態加熱室的情況下，物鏡正下方的區域通常比試樣的其余部分低5°C。

VAHEAT能夠實現直接對局部樣品加熱，抵消由灌注系統或室溫變化引入的任何外部干擾并將其與環境熱分離，避免對物鏡等溫度敏感設備產生影響。這種局部加熱和溫度感測具備了快速、精確的溫度變化，并且加熱速率高達100°C/s，精度高于0.1°C，可以像PCR熱循環儀一樣編程任意溫度曲線。VAHEAT能夠確保在成像過程中的精準溫度控制，并且支持高分辨顯微鏡，非常適合研究溫度敏感細胞行為過程。

嗜熱菌成像

Institute Fresnel的Guillaume Baffou實驗室使用VAHEAT在空間限制下，保持嗜熱菌處于60°C和70°C下并進行成像。他們發現適用于大腸桿菌的培養條件不一定適用于其他非模式生物，大多數好氧菌在需要比空間限制環境下更多的氧氣才能成功生長。

細菌懸浮液滴在樣品池內后，放置蓋玻片覆蓋住樣品池的一半，即可同時觀察細菌在開放環境和空間限制下的生長。結果表明，大腸桿菌和羅伊氏乳桿菌兩種兼性厭氧菌在開放環境和空間限制下均能夠正常生長，且倍增時間相似；而嗜熱脂肪芽孢桿菌和嗜熱棲熱菌兩種好氧菌在空間限制下生長明顯受限。實驗過程中，VAHEAT用于保持不同種類細菌在恒溫狀態下生長。

圖a-c：大腸桿菌在37°C下生長0小時，1小時25分鐘和2小時50分鐘的圖像；

圖d-f：羅伊氏乳桿菌（Lactobacillus reuteri）在35°C下生長0小時，2小時20分鐘和4小時40分鐘的圖像；

圖g-i：嗜熱脂肪芽孢桿菌（Geobacillus stearothermophilus）在60°C下生長0小時，1小時和2小時的圖像；

圖j-l：嗜熱棲熱菌（Thermus thermophilus）在70°C下生長0小時，1小時15分鐘和2小時30分鐘的圖像。所有圖像中，蓋玻片位于底部，以粗黑實線表示。

參考文獻：Molinaro, C., Da Cunha, V., Gorlas, A., Iv, F., Gallais, L., Catchpole, R., ... & Baffou, G. (2021). Are bacteria claustrophobic? The problem of micrometric spatial confinement for the culturing of micro-organisms. RSC advances, 11(21), 12500-12506.

酵母減數分裂過程中的染色體分離

馬克斯普朗克研究所的Wolfgang Zachariae實驗室使用含溫敏等位基因的酵母研究減數分裂過程中的染色體分離。VAHEAT可在選擇的時間點迅速控溫以達到實驗要求的溫度，表達溫敏型cdc20-3的酵母在升溫后由于cdc20-3失活，減數分裂過程被阻斷；降溫后cdc20-3被激活，減數分裂繼續。

表達野生型CDC20（CDC20-mAR ama1）和溫敏型cdc20-3（cdc20ts-mAR ama1）的酵母。t = 50 min時，溫度升至37°C，溫敏型菌株被阻斷在減數分裂中期II；t = 120 min時，溫度降為25℃，溫敏型菌株進入后期II。上圖，通過固定細胞的免疫熒光顯微定量細胞特征（每個時間點n = 100）；下圖，減數分裂II期細胞中DNA，紡錘體和Pds1-myc18的染色。

參考文獻：Mengoli, V., Jonak, K., Lyzak, O., Lamb, M., Lister, L. M., Lodge, C., ... & Zachariae, W. (2021). Deprotection of centromeric cohesin at meiosis II requires APC/C activity but not kinetochore tension. The EMBO journal, 40(7), e106812.

DNA折紙

慕尼黑工業大學的Hendrik Dietz實驗室利用DNA折紙構建了一種大分子運輸系統。VAHEAT用于單分子TIRF成像時的精確溫度控制。單分子TIRF等高分辨率成像技術容易受溫度變化導致的熱漂移影響，VAHEAT能夠保證溫度穩定保持在設定值，僅有0.01℃波動，進而提高成像準確度。

圖a：左：聚合反應和微絲端部封頂的示意圖；右：瓊脂糖凝膠的激光掃描圖像。

圖b：封頂的微絲的負染透射電鏡成像。

圖c：左：聚合微絲的負染透射電子顯微鏡成像。右：聚合微絲的TIRF成像，分子活塞（綠色）位于微絲（紅色）內部。

圖d：TIRF電影中取自單幀的典型序列，反映了活塞沿著絲狀物的移動。底部：整個電影（6000幀，幀速率= 10 / s）的平均圖像的標準偏差，說明活塞已經沿著這條約3μm長的絲狀物行程全長移動。

參考文獻：St?mmer, P., Kiefer, H., Kopperger, E., Honemann, M. N., Kube, M., Simmel, F. C., ... & Dietz, H. (2021). A synthetic tubular molecular transport system. Nature Communications, 12(1), 4393.

納米顆粒的iSCAT成像

馬克斯普朗克光學科學研究所的Vahid Sandoghdar實驗室致力于研究干涉散射（iSCAT）顯微技術。VAHEAT用于表征金納米顆粒擴散系數與溫度的關系。使用VAHEAT調整30 nm的金納米顆粒的溫度并檢測擴散系數，測量結果與使用金納米顆粒的流體力學直徑（實線）計算出的擴散系數基本一致。

金納米顆粒直徑與擴散系數的關系。小圖：30 nm金納米顆粒在不同溫度下的擴散系數。

參考文獻：Kashkanova, A. D., Blessing, M., Gemeinhardt, A., Soulat, D., & Sandoghdar, V. (2022). Precision size and refractive index analysis of weakly scattering nanoparticles in polydispersions. Nature methods, 19(5), 586-593.

發表文章

1. An inkjet-printable fluorescent thermal sensor based on CdSe/ZnS quantum dots immobilised in a silicone matrix. Sensors and Actuators A, 2022.

2. Colloidal black gold with broadband absorption for photothermal conversion and plasmon-assisted crosslinking of thiolated diazonium compound. ChemRxiv, 2022.

3. Mechanistic Insights into the Phase Separation Behavior and Pathway-Directed Information Exchange in all-DNA Droplets. Angewandte Chemie, 2022.

4. Reversible speed control of one-stimulus-double-response, temperature-sensitive asymmetric hydrogel micromotors. Chemical Communications, 2022

5. Progress and Challenges in Archaeal Cell Biology. In: Ferreira-Cerca, S. (eds) Archaea. Methods in Molecular Biology, 2022.

6. Phase-separation antagonists potently inhibit transcription and broadly increase nucleosome density. Journal of Biological Chemistry, 2022

7. A DNA Segregation Module for Synthetic Cells. Small, 2022

8. Precision size and refractive index analysis of weakly scattering nanoparticles in polydispersions. Nature Methods, 2022

9. The Spo13/Meikin pathway confines the onset of gamete differentiation to meiosis II in yeast. EMBO Journal, 2022

10. Microscale Thermophoresis in Liquids Induced by Plasmonic Heating and Characterized by Phase and Fluorescence Microscopies. The Journal of Physical Chemistry C, 2022.

11. A synthetic tubular molecular transport system. Nature Communications, 2021.

12. Deprotection of centromeric cohesin at meiosis II requires APC/C activity but not kinetochore tension. EMBO Journal, 2021.

13. Are bacteria claustrophobic? The problem of micrometric spatial confinement for the culturing of microorganisms. RSC Advances, 2021.

已有用戶單位

VAHEAT發布雖然僅有短短兩年時間，但是全球已經有近百個實驗室引入，憑借其優秀的性能與穩定性，助力科學家取得一個又一個突破，也獲得國內外廣大科研工作者的一致關注與好評。

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