众所周知，在细胞生物学与分子生物学研究中，绝大多数的生物化学反应与温度密切相关，如DNA的合成，相变反应，细胞的生长等等。在研究过程中，科学家会用到传统的加热手段去控制温度，然而由于传统的加热仪有着诸多弊端，如：对样品加热时热平衡的建立缓慢（数个小时），容易产生温度梯度；调节范围比较窄；温度不够稳定；在成像时对分辨率造成不良影响。
上述因素为实验带来诸多不便。因此，选择精准、易操作的温度控制器十分重要。鉴于上述问题，德国INTERHERENCE公司于2020年推出了超精准可调节温度控制模块VAHEAT。VAHEAT是一款可广泛应用于光学显微镜的精密温度控制模块，可兼容市面上绝大多数的商用显微镜和物镜。其特殊的智能基底将透明加热元件与高灵敏度温度探头相结合，实现了在高清成像的同时快速和精确的温度调节，与传统的加热仪相比，VAHEAT具有非常大的优势：
☛ 样品加热快：加热速率可达100℃/s；
☛ 调节范围广：温度可达200℃；
☛ 稳定性高：0.01℃；
☛ 不影响成像质量。
VAHEAT尤其适用于：
一、活细胞成像
活细胞对温度的变化非常敏感，传统的加热仪采用大型的环境箱，温度测量距离样品很远，温度变化非常缓慢。显微镜需要几个小时才能达到热平衡，缓慢的平衡也意味着与温度相关的样品漂移更显著。同时，显微镜载物台、框架和物镜可以充当散热器，抵消样品加热系统的作用。在这种静态加热室的情况下，物镜正下方的区域通常比试样的其余部分低5°C。
而VAHEAT能够实现将直接对局部样品加热，抵消由灌注系统或室温变化引入的任何外部干扰并将其与环境热分离，避免对物镜等温度敏感设备产生影响。这种局部加热和温度感测具备了快速、精确的温度变化，并且加热速率高达100°C/s，精度高于0.1°C，可以像PCR热循环仪一样编程任意温度曲线。VAHEAT能够确保在成像过程中的精准温度控制，并且支持高分辨显微镜，非常适合研究温度敏感细胞行为过程。
Institute Fresnel的Guillaume Baffou实验室使用VAHEAT在空间限制下，保持嗜热菌处于60°C和70°C下并进行成像。他们发现适用于大肠杆菌的培养条件不一定适用于其他非模式生物。大多数好氧菌在需要比空间限制环境下更多的氧气才能成功生长。
细菌悬浮液滴在样品池内后，放置盖玻片覆盖住样品池的一半，即可同时观察细菌在开放环境和空间限制下的生长。结果表明，大肠杆菌和罗伊氏乳杆菌两种兼性厌氧菌在开放环境和空间限制下均能够正常生长，且倍增时间相似；而嗜热脂肪芽孢杆菌和嗜热栖热菌两种好氧菌在空间限制下生长明显受限。实验过程中，VAHEAT用于保持不同种类细菌在恒温状态下生长。
图a-c：大肠杆菌在37°C下生长0小时，1小时25分钟和2小时50分钟的图像。
图d-f：罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri）在35°C下生长0小时，2小时20分钟和4小时40分钟的图像。
图g-i：嗜热脂肪芽孢杆菌（Geobacillus stearothermophilus）在60°C下生长0小时，1小时和2小时的图像。
图j-l：嗜热栖热菌（Thermus thermophilus）在70°C下生长0小时，1小时15分钟和2小时30分钟的图像。所有图像中，盖玻片位于底部，以粗黑实线表示。
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.
马克斯普朗克研究所的Wolfgang Zachariae实验室使用含温敏等位基因的酵母研究减数分裂过程中的染色体分离。VAHEAT可在选择的时间点迅速控温以达到实验要求的温度，表达温敏型cdc20-3的酵母在升温后由于cdc20-3失活，减数分裂过程被阻断；降温后cdc20-3被刺激，减数分裂继续。
图B：表达野生型CDC20（CDC20-mAR ama1）和温敏型cdc20-3（cdc20ts-mAR ama1）的酵母。t = 50 min时，温度升至37°C，温敏型菌株被阻断在减数分裂中期II；t = 120 min时，温度降为25℃，温敏型菌株进入后期II。上图，通过固定细胞的免疫荧光显微定量细胞特征（每个时间点n = 100）；下图，减数分裂II期细胞中DNA，纺锤体和Pds1-myc18的染色。
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.
二、 DNA折纸
慕尼黑工业大学的Hendrik Dietz实验室利用DNA折纸构建了一种大分子运输系统。VAHEAT用于单分子TIRF成像时的精确温度控制。单分子TIRF等高分辨率成像技术容易受温度变化导致的热漂移影响，VAHEAT能够保证温度稳定保持在设定值，仅有0.01℃波动，进而提高成像准确度。
图a：左：聚合反应和微丝端部封顶的示意图；右：琼脂糖凝胶的激光扫描图像。图b：封顶的微丝的负染透射电镜成像。
图c：左：聚合微丝的负染透射电子显微镜成像。右：聚合微丝的TIRF成像，分子活塞（绿色）位于微丝（红色）内部。
图d：TIRF电影中取自单帧的典型序列，反映了活塞沿着丝状物的移动。底部：整个电影（6000帧，帧速率= 10 / s）的平均图像的标准偏差，说明活塞已经沿着这条约3μm长的丝状物行程全长移动。
Stömmer, 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.
三、纳米颗粒的iSCAT成像
马克斯普朗克光学科学研究所的Vahid Sandoghdar实验室致力于研究干涉散射（iSCAT）显微技术。VAHEAT用于表征金纳米颗粒扩散系数与温度的关系。使用VAHEAT调整30 nm的金纳米颗粒的温度并检测扩散系数，测量结果与使用金纳米颗粒的流体力学直径（实线）计算出的扩散系数基本一致。
金纳米颗粒直径与扩散系数的关系。小图：30 nm金纳米颗粒在不同温度下的扩散系数。
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.
VAHEAT发布虽然仅有短短两年时间，但是全球已经有近百个实验室引入，凭借其独特的性能与稳定性，助力科学家取得一个又一个突破，也获得国内外广大科研工作者的一致关注与好评：
部分用户评价：
“我实验室有一部分研究是秀丽隐杆线虫种系中的转录因子和液-液相分离。温度依赖性是显示蛋白质焦点是否由相变机制形成的更好方法之一。过去我们用自制的系统做过温度依赖性实验，我知道这有多难。相比之下，VAHEAT系统非常容易在许多显微镜和样品中使用。我们将其用于秀丽隐杆线虫、斑马鱼和单细胞。” | |
| Dr. Senthil Arumugam EMBL Australia/Monash University | |
| “我有机会在伍兹霍尔生理学课程中与VAHEAT合作。我们将VAHEAT与我们定制的微流控设备相结合，并对许多不同物种的活古菌细胞进行成像，以获得单细胞生长曲线。借助VAHEAT出色的温度控制以实现在长时间内创建梯度变化，以优化混合种群的生长。VAHEAT对于研究具有挑战性的温度范围课题的细胞生物学家来说是一个很好的工具，而且它可以更好地利用更大的加热表面积来允许多流体通道进行高通量成像。” | |
Dr. Alexandre Bisson Brandeis University | |
“VAHEAT允许在我们的TIRF测量中精确快速地控制温度，我们正在研究可转换的DNA折纸机制。” | |
| Prof. Hendrik Dietz TU Munich | |
“一开始，我对基板有点怀疑。然而，它们可以清洁和重复使用。我们已经测试了几种加热系统，它们可以加热到37°C以上。到目前为止，这是我们喜欢的。” | |
Dr. Kerstin Göpfrich MPI for Medical Research, Heidelberg | |
| “我们使用VAHEAT将低分子量聚合物加热到略高于其玻璃化转变温度的温度，以研究这些系统中单分子水平的分子运动和动态异质性。VAHEAT使我们能够实现并保持盖玻片所需的温度控制，这反过来又使我们能够同时进行高分辨成像，可能限度地收集光子并限制荧光探针的定位误差。这种功能有助于表征这些复杂系统中的平移迁移率。” | |
Prof. Laura Kaufman Columbia University, New York City | |
VAHEAT部分客户：
VAHEAT部分发表文献：
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.
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