基于原子力显微镜应用生物医学发展

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1、基于原子力显微镜应用的生物医学的发展侯萌北京大学医学部北京100083摘要在介绍原子力显微镜原理的基础上，评述了原子力显微镜（atomicforcemicroscopy，AFM）的成像模式以及在核酸、蛋白质、细胞、病毒研究中的应用进展，并展望了AFM在此些领域的发展前景。关键词原子力显微镜，生物医学0引言1985年Binnig与斯坦福大学的C。F。Quate和IBM苏黎士实验室的ChristophGerber合作推出了原子力显微镜(AtomicForceMicroscopy，简称AFM)，这是一种不需要导电试样的扫描探针型显微镜。这种显微镜通过其粗细只有一个原子大小的探针在非常近的距离上探

2、索物体表面的情况，便可以分辨出其他显微镜无法分辨的极小尺度上的表面细节与特征。由于它的出现，直接观测图1原子力显微镜(AFM)系统结构微观世界的大门被打开了。这种显微镜能以空前的高分辨率探测原子和分子的形状，确定物1．1力检测部分体的电、磁与机械特性，甚至能确定温度变化的情况。使用这种显微镜时无需使试样发生在原子力显微镜（AFM）的系统中，所变化，也无需使试样受破坏性的高能辐射作要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所用。以在本系统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。微悬臂通常由一个1AFM基本原理一般100~500μm长和大约500nm~5μm厚的总合起来讲

3、，原子力显微镜的工作原理就硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐是将探针装在一弹性微悬臂的一端，微悬臂的针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。另一端固定，当探针在样品表面扫描时，探针这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、与样品表面原子间的排斥力会使得微悬臂轻弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择微变形，这样，微悬臂的轻微变形就可以作为是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而探针和样品间排斥力的直接量度。一束激光经选择不同类型的探针。以下是一种典型的微悬臂的背面反射到光电检测器，可以精确测AFM悬臂和针尖：量微悬臂的微小变形，这样就实现了通过检测样品与探针之间的原子排斥力来反映样品

4、表面形貌和其他表面结构。在原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy，AFM）的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统（见图1）。图2AFM悬臂和针尖1．2位置检测部分子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂（cantilever）来感测针尖与样品之间的相互在原子力显微镜（AFM）的系统中，当作用，这作用力会使微悬臂摆动，再利用激光针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬将光照射在悬臂的末端，当摆动形成时，会使臂cantilever摆动，所以当激光照射在微悬臂反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动测器会记录此偏移

5、量，也会把此时的信号给反而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作信号处理。2．原子力显微镜的工作模式原子力显微镜的工作模式是以针尖与样品之间的作用力的形式来分类的。主要有以下3种操作模式:接触模式(contactmode)，非接触模式(non-contactmode)和敲击模式(tappingmode)。图3激光位置监测器2．1接触模式上图是激光位置检测器的示意图。聚焦到从概念上来理解，接触模式是AFM最直微悬臂上面的激光反射到激光位

6、置检测器，通接的成像模式。正如名字所描述的那样，过对落在检测器四个象限的光强进行计算，可AFM在整个扫描成像过程之中，探针针尖始以得到由于表面形貌引起的微悬臂形变量大终与样品表面保持亲密的接触，而相互作用力小，从而得到样品表面的不同信息。是排斥力。扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范1．3反馈系统-10-6围在10～10N。若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选用接触模式对样品表在原子力显微镜（AFM）的系统中，将面进行成像。信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信2．2非接触模式号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫

7、描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作非接触模式探测试样表面时悬臂在距离用力。试样表面上方5～10nm的距离处振荡。这AFM系统使用压电陶瓷管制作的扫描器时，样品与针尖之间的相互作用由范德华力控精确控制微小的扫描移动。压电陶瓷是一种性制，通常为10-12N，样品不会被破坏，而且能奇特的材料，当在压电陶瓷对称的两个端面针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或的表面。这种操作模