ホッピングモードのスキャンイオンコンダクタンス顕微鏡技術を使用した緑膿菌の電荷マッピング

スキャンイオンコンダクタンス顕微鏡（SICM）は、電解質条件で生物学的サンプルを調査できる地形イメージング技術です。SICMの拡張により、電圧依存信号に基づいて表面電荷検出が可能になりました。ここでは、ホッピングモードSICMメソッド（HP-SICM）を迅速かつ低侵襲の表面電荷マッピングに使用する方法を示します。aeruginosapa14（PA）細胞を使用してメソッドを検証し、約80 nmの横方向スキャン分解能内で均一なσpa= -2.0±0.45 mc/m2の表面電荷密度を観察します。この生物学的表面電荷は、膜の少なくとも1.7μm（395×debye長）から検出され、長距離電荷検出は電気植物増幅に起因します。ナノバーブルプラグプローブを使用したイメージングにより、基礎となるサンプルの摂動が減少することを示します。この手法をPAバイオフィルムに拡張し、-20 mc/m2を超える電荷密度を観察します。ソリッドステートキャリブレーションを使用して、表面電荷密度を定量化し、HP-SICMを定常状態の有限要素モデルで定量的に記述できないことを示します。この研究は、微生物学と細胞生物学に一意に貢献できるスキャンプローブ方法の体に貢献しています。

Scanning ion conductance microscopy (SICM) is a topographic imaging technique capable of probing biological samples in electrolyte conditions. SICM enhancements have enabled surface charge detection based on voltage-dependent signals. Here, we show how the hopping mode SICM method (HP-SICM) can be used for rapid and minimally invasive surface charge mapping. We validate our method usingPseudomonas aeruginosaPA14 (PA) cells and observe a surface charge density of σPA = -2.0 ± 0.45 mC/m2 that is homogeneous within the ∼80 nm lateral scan resolution. This biological surface charge is detected from at least 1.7 μm above the membrane (395× the Debye length), and the long-range charge detection is attributed to electroosmotic amplification. We show that imaging with a nanobubble-plugged probe reduces perturbation of the underlying sample. We extend the technique to PA biofilms and observe a charge density exceeding -20 mC/m2. We use a solid-state calibration to quantify surface charge density and show that HP-SICM cannot be quantitatively described by a steady-state finite element model. This work contributes to the body of scanning probe methods that can uniquely contribute to microbiology and cellular biology.