《Nature Communications》：A high signal-to-noise ratio and high-frequency seesaw cantilever for high-speed atomic force microscopy
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为破解微型悬臂梁在高速原子力显微镜（HS-AFM）中“越做越小、信号越弱”的死结，作者以聚焦离子束（FIB）雕刻出“跷跷板”结构，将激光反射板与扭转铰链机械功能解耦，实现~3倍灵敏度提升与MHz级共振频率，首次在溶液中以5帧/秒解析膜联蛋白V（A5）三聚体旋转，为活体单分子动态观测提供新利器。
当原子力显微镜（AFM）的“探针”被越做越短、越做越薄以追逐更高成像速度时，它却陷入一个尴尬境地：悬臂梁（cantilever）缩小带来高共振频率，但反射激光的面积骤减，光杠杆信号弱、噪声高，最终拖慢反馈速度，使“高速”名存实亡。自2010年起，7 μm长、2 μm宽、80 nm厚的“极限”短梁再未被突破，微型化似乎撞上天花板。
为打破这一僵局，Linlin Li、Atsushi Miyagi与Simon Scheuring把目光转向儿童游乐场——跷跷板。他们设想：若让“板”只负责反射激光，而让“铰链”单独承担机械扭转，就能把两大功能解耦，各自优化。于是，一种全新的“跷跷板悬臂梁”（seesaw cantilever, SSC）诞生：一块刚性反射板通过两条纳米扭转铰链固定在基座，板面可以做大以保证光信号，铰链可以做得又细又长以降低刚度；板绕铰链做纯扭转摆动，而非传统梁的弯曲变形。
研究人员利用聚焦离子束（FIB）在大尺寸氮化硅梁上“雕刻”出倒置Π形沟槽，留下1 μm×1 μm到2 μm×0.2 μm不等的铰链，再于板端外延生长~2.5 μm高电子束沉积（EBD）针尖，制成一系列矩形、方形、窄矩形、椭圆、圆形板面的SSC原型。有限元分析（FEA）显示，第一阶振型为绕铰链的刚性摆动，共振频率公式f=(1/2π)√(K/M)中，刚度K仅由铰链尺寸决定，等效质量M≈(m+m)/3，理论值1–10 MHz。
实验在空气与缓冲液中采集热噪声功率谱（PSD），证实：铰链越窄、越薄、越长，频率越低；同一SSC在液体中频率约为空气的一半，Q值仅1.5–3，满足HS-AFM快速响应需求。力-距离曲线标定显示，10 μm×5 μm矩形SSC（SSC-R）灵敏度达~3倍于7 μm×2 μm商用超短梁（USC-F1.2-k0.15），5 μm×5 μm方形SSC（SSC-S）因角位移更大，灵敏度再提升；2 nm幅值下信噪比（SNR）全面优于商用梁。
作者选用最软SSC（SSC-R-L1-W02-T04，铰链1 μm×0.2 μm×0.4 μm，刚度~0.5 N/m）对三种生物样本进行HS-AFM成像：
在支持脂质双层（SLB）上，1帧/秒即可分辨A5分子p6晶格，5帧/秒实时捕获晶格中心三聚体旋转；
在天然紫膜上，清晰记录细菌视紫红质（bR）三聚体排列；
在云母表面，DNA折纸三角形边长~120 nm轮廓分明。
结果首次证明，SSC可在溶液中以低力（<100 pN）、小振幅（<1 nm）实现亚分子级高速成像，而同等刚度传统梁因信号弱无法稳定反馈。
关键技术方法：聚焦离子束（FIB）微加工、电子束沉积（EBD）针尖生长、有限元分析（FEA）模态模拟、热噪声功率谱（PSD）标定、简单谐振子（SHO）刚度校准、高速原子力显微镜（HS-AFM）振幅调制成像。
研究结果：
概念与架构：SSC通过扭转铰链实现激光反射板与机械元件解耦，突破微型梁信号-力学权衡。
弹簧常数：推导出K=8Gβa b/(L·L)，铰链越细越长，梁越软。
共振频率：理论-实验吻合，频率随铰链尺寸可调，1–10 MHz范围。
实验评估：热噪声峰位、Q值、阻尼行为均符合预测，灵敏度提升~3倍。
不同板面设计：窄矩形、椭圆、圆形板因质量-阻尼减小，频率再提高1.2–1.5倍。
HS-AFM成像：在溶液中以1–5帧/秒获得A5晶格缺陷、bR三聚体、DNA折纸高分辨动态图像。
结论与讨论：SSC架构把“光学反射”与“力学扭转”拆成两条独立设计维度，一举解决小型悬臂梁“信号弱-难加工”的死结；更高的角灵敏度使AFM可在更低力、更小振幅下稳定成像，为活体膜蛋白、DNA纳米结构等柔软样本的毫秒级动态观测铺平道路。未来通过批量FIB或微纳加工，可低成本制造系列化SSC，推动HS-AFM在神经突触、离子通道、药物-膜互作等生命科学前沿领域广泛应用。论文发表于《Nature Communications》。
