超精准可调节温度控制模块-VAHEAT
德国Interherence公司推出的超精准可调节温度控制模块VAHEAT是一款用于光学显微镜的精密温度控制模块，兼容市面上绝大多数的商用显微镜和物镜。该模块特有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地调节温度，加热速率可达100℃/s，最高温度可达200℃，稳定性0.01℃。该模块尤其适用于生命科学和材料科学中的温度敏感过程研究，如活细胞高分辨成像、DNA生物学、热休克蛋白、相分离等。
德国Interherence公司推出的超精准可调节温度控制模块VAHEAT是一款用于光学显微镜的精密温度控制模块，兼容市面上绝大多数的商用显微镜和物镜。该模块特有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地调节温度，加热速率可达100℃/s，最高温度可达200℃，稳定性0.01℃。该模块尤其适用于生命科学和材料科学中的温度敏感过程研究，如活细胞高分辨成像、DNA生物学、热休克蛋白、相分离等。
应用领域
超分辨活细胞成像
DNA生物学
微流控
相变
神经生物学
原子力显微镜
产品特点
温度稳定性高：0.01℃
在长时间(小时到天)和短时间(秒到分钟)下的温度稳定性可至0.01°C (RMS)。通过样品内部的直接温度反馈，检测和补偿空气流动、流体交换等引起的外部温度变化。
温控范围广：RT-200℃
根据用户的实验需要，实验温度范围可以由RT-100℃(标准版)扩展至RT-200℃(扩展版)。标准版与油浸物镜兼容，而扩展版可以与空气物镜兼容。
优越的成像质量
在20°C到100°C的温度范围内，空气物镜视野中的图像没有变化。
在20°C到80°C的温度范围内，油浸物镜和空气物镜中图像质量横向方向上没有变化。
快速且可靠，用于油浸物镜
VAHEAT可以让用户控制视场内的温度，而不受显微镜物镜类型或物镜温度的影响。该系统被设计为独立的单元，不需要对光学设置(如物镜加热器)进行任何额外的修改，以避免在视野中出现温度下降。此外，智能基板的独特设计确保了物镜的性能即使在更高的温度下也不会改变。
四种加热模式
VAHEAT设有四种加热模式，可根据用户需求进行不同的实验。
自动模式（AUTO）：通过PID控制回路，以保持样品在所需的温度。
直接模式（DIRECT）：直接控制加热功率，闭环控制，快速加热。
脉冲模式（SHOCK）：类似于定时的DIRECT模式，规定时间内多次对样品进行加热。
自定义模式（PROFILE）：自定义设置目标加热率、冷却率和保持时间。适用于温度变化相关的化学反应，如：相变。
设备兼容性高
VAHEAT配有专用的显微镜适配器，可以兼容市面上绝大多数商业显微镜，同时兼容多种成像技术：
全内反射显微镜 (TIRM)
共聚焦显微镜
干涉散射显微镜（iSCAT）
原子力显微镜（AFM）
超分辨显微镜（SIM, STORM, PALM, PAINT, STED）
宽场显微镜
组成部分
控制器
| 控制单元作为用户与样品温度控制之间的载体，可以实时显示当前的温度，并且可以通过旋钮轻松地调节温度。一个USB接口授予远程控制、同步系统参数、图像采集功能。具有四种加热模式。 |
|
| 标准版 | 扩展版 |
适用于研究活细胞成像或其他高分辨率、超分辨率显微镜的温度敏感过程。 加热功率：< 2500 mW 最高温度：105℃ 可适配智能基底：SmS, SmS-R | 可用于空气显微镜物镜，适用于研究相变或扩散行为。 加热功率：< 5000 mW 最高温度：200℃ 可适配智能基底：SmS, SmS-R, SmS-E |
智能基板
| 智能基板取代了传统的盖玻片。集成的加热元件与高灵敏度的温度传感器可以在不影响成像质量的情况下快速、精确地控制视场内的温度。 |  |
| SmS 标准版 | SmS-R 标准版含样品池 | SmS-E 拓展版 |
面积：18mmx18mm 厚度：170um 温度范围：RT - 105°C | 面积：18mmx18mm 厚度：170um 体积：100-600uL 温度范围：RT - 105°C | 面积：18mmx18mm 厚度：500um 温度范围：RT - 200°C |
显微镜适配器
面 积：75 mm x 25 mm 厚 度：11mm 显微镜适配器与加热区域隔热，即使在200°C的样品温度下也能保持在室温。 |  |
用户软件界面
配套软件可以远程控制VAHEAT设备，编程任意温度曲线并将温度数据流式传输到本地硬盘。可通过软件来精确和实时控制样品温度和当前加热功率。
VAHEAT 是一款专用于光学显微镜的精密温度控制器，其在显微镜样品区域内结合了局部加热和直接温度传感，可以对样品温度进行快速而精确的调整，加热速率高达100 °C/s。VAHEAT兼容几乎所有的商用显微镜和物镜。
材料的动态相变
Ruddlesden-Popper (RP) 钙钛矿是由堆叠的被单铵阳离子组成的有机阳离子层分隔的二维无机金属卤化物八面体组成的材料，应用方向包括光发射器、光电晶体管、光电检测器等，已成为在光电子领域有潜力的材料。研究人员使用荧光显微镜并搭载超精准可调节温度控制模块VAHEAT 分别对HA2PbI4和 (HA0.9PA0.1)2PbI4进行温度相关的 PL 成像，其中 VAHEAT配有特殊的玻璃基板可以减少测量过程中氧气和水造成的损坏。在具体实验方面，研究人员设计以 0.2 °C/s 从 40 °C升温到 90 °C再降温到 40 °C对 HA2PbI4 进行 PL 成像，而设计以 0.2 °C/s 从 40 °C 升温到 110 °C再降温到 40 °C 对(HA0.9PA0.1)2PbI4进行 PL 成像。
图1 (A) HA2PbI4和 (B) (HA0.9PA0.1)2PbI4 在各自相变状态下的 PL 成像
视频1：以 0.2 °C/s 从 40 °C升温到 90 °C再降温到 40 °C对 HA2PbI4 的温度依赖性 PL 成像视频
视频2： 以 0.2 °C/s 从 40 °C 升温到 110 °C再降温到 40 °C 时 (HA0.9PA0.1)2PbI4 的温度依赖性 PL 成像视频
参考文献：Rand L. Kingsford …& Connor G. Bischakd. (2023) Controlling Phase Transitions in Two-Dimensional Perovskites through Organic Cation Alloying. Journal of the American Chemical Society, 145, 11773−11780. IF=15
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。插图：30 nm金纳米颗粒在不同温度下的扩散系数
参考文献：Anna D. Kashkanova …& Vahid Sandoghdar. (2022) Precision size and refractive index analysis of weakly scattering nanoparticles in polydispersions. Nature Methods, 19, 586–593. IF=48
AlGaN温感发光研究
华东师范大学武鄂教授使用超精准可调节温度控制模块VAHEAT对单光子发射源（SPE）在AlGaN（氮化铝镓）微柱中的温度依赖性进行了研究。文章针对SPE在不同温度下的光致发光（PL）光谱、PL强度、辐射寿命等参数，探究了AlGaN SPE在高温下线宽加宽的可能机制，有助于进一步研究如何实现此材料在高温下工作的芯片上集成应用。
参考文献：Yingxian Xue …& E Wu. Temperature-dependent photoluminescence properties of single defects in AlGaN micropillars. Nanotechnology, 34, 225201. IF=3.5
高温条件下的拉曼光谱研究
德国柏林亥姆霍兹中心（HZB）的Yan Lu教授和波茨坦大学的Sergio Kogikoski教授使用超精准可调节温度控制模块VAHEAT测量了从室温到122°C不同温度下黑金薄膜的拉曼光谱。本实验用低强度激光入射（100 μW）测量拉曼光谱，以通过温度而不是光照射来诱导反应。
参考文献：Yingxian Xue …& E Wu. Temperature-dependent photoluminescence properties of single defects in AlGaN micropillars. Nanotechnology, 34, 225201. IF=3.5
活细胞观测
活细胞对温度的变化非常敏感，传统的加热仪一般采用大型的环境箱，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，这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。
VAHEAT能够实现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能够实现更快速、精确的温度变化，加热速率高达100°C/s，精度高于0.1°C，并可以像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。
嗜热细菌的活体成像
法国马赛中央理工学院的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。研究人员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。
参考文献：Céline Molinaro …& Guillaume Baffou. (2021) Are bacteria claustrophobic? The problem of micrometric spatial confinement for the culturing of micro-organisms. RSC Advances, 11, 12500–12506. IF=3.9
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被激活，减数分裂继续。
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。
参考文献：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.
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。
参考文献：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.
优越的成像质量
使用VAHEAT在高达80℃的高温下，即使使用市面上最高的数值孔径物镜，也不会改变成像质量。
为了证明这一点，我们通过实验确定了不同样品温度的三维点扩散函数。由于颗粒扩散增加，x-y分辨率仅在温度高于80℃时略有增加。由于浸油的温度依赖性，焦点在z方向上的伸长随着温度的升高而增加。这种效应很大程度上取决于浸没介质的材料特性，可以通过考虑光程长度的有效变化来补偿。而对于空气物镜，成像质量不受影响。
100x, NA=1.46, 油浸物镜 |
40x, NA=0.4, 空气物镜 |
高温度稳定性
局部温度的稳定性对于实现高机械稳定性和避免漂移至关重要。智能基板内的精确温度探头与快速响应时间相结合，可以补偿由于气流或液体交换等引起的缓慢以及快速的外部温度变化，保证在数小时至数天内温度长期稳定在 0.01 ℃（rms）左右。
加热速率
局部加热和反馈机制使得视野内的温度可以得到良好控制和快速变化。加热速率高达 100℃/s。对于液体，加热速率可以达到40℃/s。
Profile模式允许在100°C/s和0.1°C/h之间设置加热和冷却速率。
VAHEAT发布仅短短两年时间内，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，助力科学家取得多个重大突破，获得了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 |
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| “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 |
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“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 |
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“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，这是我们最喜欢的。” | |
Dr. Kerstin Göpfrich MPI for Medical Research, Heidelberg |
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| “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，最大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 |
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活细胞成像
