原子力显微镜及其在科研与测试中的应用

摘要：原子力显微镜（AFM）和传统的扫描电子显微镜相比具有许多优势，如样品制备简单，可在多种环境中运作，高分辨率等等。本文主要从生物化学、细胞生物学、免疫学和物质超微结构研究等几个方面对其在生物学研究和测试中的应用进行综述。

关键词：原子力显微镜 探针 RNA聚合酶 分子间相互作用

一、原子力显微镜（AFM）简介

原子力显微镜（AFM）有两种类型：接触式和非接触式，分别基于排斥作用和吸引作用。原子力显微镜（AFM）试验中，探针尖端近似为显微球，则针尖与样品表面间的作用力为：F（Z）=2πR0B/3Z3其中Z为针尖与样品之间的距离，R0为近似显微球针尖的半径，B为一个与物体介电常数有特殊关系的常量。原子力显微镜（AFM）探针安装在一个灵活的悬臂上，激光二极管发出的一束激光经悬臂反射后，打在一个分裂式光电二极管上，当探针在样品表面扫描时，由于样品表面原子结构起伏不平，悬臂也就随之起伏，于是激光束的反射也就起伏。光电二极管将其接收、放大，即可获得样品表面凹凸信息的原子结构图像。原子量级的表面形态记录是原子力显微镜（AFM）特有的性能。

二、原子力显微镜（AFM）的技术特点

原子力显微镜（AFM）本身的优势是其在生物学中得以迅速发展的主要原因。首先，原子力显微镜（AFM）技术的样品制备简单，无需对样品进行特殊处理，因此，其破坏性较其它生物学常用技术（如电子显微镜）要小得多；第二，原子力显微镜（AFM）能在多种环境（包括空气、液体和真空）中运作，生物分子可在生理条件下直接成像，也可对活细胞进行实时动态观察；第三，原子力显微镜（AFM）能提供生物分子和生物表面的分子/亚分子分辨率的三维图像；第四，原子力显微镜（AFM）能以纳米尺度的分辨率观察局部的电荷密度和物理特性，测量分子间（如受体和配体）的相互作用力；第五，原子力显微镜（AFM）能对单个生物分子进行操纵；另外，由原子力显微镜（AFM）获得的信息还能与其它的分析技术和显微镜技术互补。

原子力显微镜（AFM）还具有对标本的分子或原子进行加工的能力，例如，可搬移原子，切割染色体，在细胞膜上打孔等等。综上所述，原子级的高分辨率、观察活的生命样品和加工样品的力行为成就了原子力显微镜的三大特点。

三、使用原子力显微镜（AFM）研究生化过程

原子力显微镜（AFM）能对转录的过程进行实时观察，在加入核苷酸后，沉积到云母上的延长复合物沿着DNA模板单向移动。两个对照实验证实RNAP与DNA的相对移动与转录的实际情况相符。通过PAGE对反应产物进行分析，结果显示与云母结合的复合物具有活性，而且转录的速度与用原子力显微镜（AFM）测得的近似生物分子的构象改变也是原子力显微镜（AFM）的重要观察内容。将尿素酶沉积到云母上并用原子力显微镜（AFM）扫描，在液池中加入尿素后发现，悬臂的垂直波动明显增加，这提示由酶活动引起的构象改变能直接通过原子力显微镜（AFM）记录下来。

原子力显微镜（AFM）在研究分子识别中的应用分子间的相互作用在生物学领域中相当普遍，例如受体和配体的结合，抗原和抗体的结合，信息传递分子间的结合等，是生物体中信息传递的基础。原子力显微镜（AFM）可作为一种力传感器来研究分子间的相互作用。生物素（biotin）和抗生物素蛋白链菌素（streptavidin）间有高亲和力，其相互作用的热力学数据也较为清楚。因而，生物素和抗生物素蛋白链菌素是原子力显微镜（AFM）测定特异相互作用力的良好典型。

原子力显微镜（AFM）在物质超微结构研究中的应用： 原子力显微镜（AFM）可以直接观察到表面缺陷、表面重构、 表面吸附体的形态和位置、以及有表面吸附体引起的表面重构等。原子力显微镜（AFM）可以观察许多不同材料的原子级平坦结构，例如，可以用原子力显微镜（AFM）对DL-亮氨酸晶体进行研究，可观察到表面晶体分子的有序排列，其晶格间距与X射线衍射数据相符。已有文献报道了关于采用原子力显微镜（AFM）对APA薄膜的表面结构进行研究的内容，发现了APA表面的特殊结构，从而揭示了APA表面超微结构对半渗透性的重要意义。目前，利用原子力显微镜（AFM）已获得了DNA、透析薄膜、烷烃分子、脂肪酸薄膜以及多糖等的超微结构的图象。

四、原子力显微镜（AFM）在细胞检测的应用

应用原子力显微镜（AFM）可研究活细胞或固定细胞如红细胞、白细胞、细菌、血小板、心肌细胞、活肾上皮细胞及神经胶质细胞的动态行为。原子力显微镜（AFM）对体外动态细胞的分析具有非凡的能力。这些研究大都把样品直接放置在玻片上，不需要染色和固定，样品制备和操作环境相当简单。用免疫胶体金标记细胞膜则打开了细胞表面抗原高分辨定位之门。原子力显微镜（AFM）细胞成像如：用原子力显微镜（AFM）研究活肾上皮细胞，可在浆膜小斑上以50nm的分辨率观察细胞骨架元素、浆膜浅凹和膜结合丝。用原子力显微镜（AFM）观察血小板的运动，可看到微丝结构、颗粒传输到细胞质外侧及活化中细胞成份的再分配。游走上皮细胞的浆膜可用原子力显微镜（AFM）实时成像。

五、应用前景

原子力显微镜（AFM）现已成为一种获得样品表面结构高分辨率图像的有力工具。而更为吸引人的是其观察生化反应过程及生物分子构象变化的能力。因此，原子力显微镜（AFM）在生物学领域中的应用前景毋庸置疑。而对于原子力显微镜（AFM）技术本身，以下几个方面的进展将更加有利于它在生物学中的应用。大多数生物反应过程相当快速，原子力显微镜（AFM）时间分辨率的提高有助于这些过程的观察。高分辨率是原子力显微镜的优势。其分辨率在理论上能达到原子水平，但目前还没有实现，如何作出更细的针尖将有助于其分辨率的进一步提高。而随着样品制备技术的完善，原子力显微镜（AFM）必将成为生物学领域中一种常规的研究工具。

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