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1、原子力显微镜的应用奚修阳1(大庆师范学院物理与电气信息工程系，黑龙江大庆163712)摘要：原子力显微镜（AtomicForceMicroscope，AFM），一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。关键词：原子
2、力显微镜.生物大分子的结构及其他性质的观测研究。作者简介：奚修阳（1990），男，黑龙江牡丹江人，就读于大庆师范学院物理与电气信息工程学院09物本班，研究方向教学物理。中图分类号：文献编识码：文章编号：收稿日期：简介它主要由带针尖的微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运动的反馈回路、使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件、计算机控制的图像采集、显示及处理系统组成。微悬臂运动可用如隧道电流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测，当针尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时，检测该斥力可获得表面原子级分辨图像，一般情况下分辨率也在纳米级水平。AFM测量
3、对样品无特殊要求，可测量固体表面、吸附体系等。图一2.应用4 随着科学技术的发展，生命科学开始向定量科学方向发展。大部分实验的研究重点已经变成生物大分子，特别是核酸和蛋白质的结构及其相关功能的关系。因为AFM的工作范围很宽，可以在自然状态（空气或者液体）下对生物医学样品直接进行成像，分辨率也很高。因此，AFM已成为研究生物医学样品和生物大分子的重要工具之一。AFM应用主要包括三个方面：生物细胞的表面形态观测；生物大分子的结构及其他性质的观测研究；生物分子之间力谱曲线的观测。2.1AFM对生物细胞的表面形态观察 AFM可以用来对细胞进行形态学观察，并
4、进行图像的分析。通过观察细胞表面形态和三维结构，可以获得细胞的表面积、厚度、宽度和体积等的量化参数等。例如，利用AFM可以对感染病毒后的细胞表面形态的改变、造骨细胞在加入底物（钴铬、钛、钛钒等）后细胞形态和细胞弹性的变化、GTP对胰腺外分泌细胞囊泡高度的影响进行研究。利用AFM还可以对自由基损伤的红细胞膜表面精细结构的研究，直接观察到自由基损伤，以及加女贞子保护作用后，对红细胞膜分子形态学的影响。2..2生物大分子的结构及其他性质的观测研究2.2.1蛋白质 对于蛋白质，AFM的出现极大的推动了其研究进展。AFM可以观察一些常见的蛋白质，诸如白蛋白,血
5、红蛋白,胰岛素及分子马达和噬菌调理素吸附在图同固体界面上的行为，对于了解生物相溶性,体外细胞的生长,蛋白质的纯化,膜中毒有很大帮助。例如，Dufrene等利用AFM考察了吸附在高分子支撑材料表面上的胶原蛋白的组装行为。结合X-射线光电子能谱技术和辐射标记技术,他们提出了一个定性解释其层状结构的几何模型。AFM实验证实了胶原蛋白组装有时连续,有时不连续的性质,通过形貌图也提供了胶原蛋白纤维状结构特征。Quist等利用AFM研究了白蛋白和猪胰岛素在云母基底上的吸附行为,根据AFM图上不同尺寸的小丘状物质推测,蛋白质有时发生聚集,有时分散分布。Epand等则
6、利用AFM技术研究了一类感冒病毒的红血球凝集素,首次展示了一种膜溶原蛋白自组装形成病毒折叠蛋白分子外域的实时过程。 在AFM观察包裹有紫膜的噬菌调理素蛋白(BR)的研究中，AFM仪器的改进,检测技术的提高和制样技术的完善得到了集中的体现。在细胞中，分子马达可以将化学能转变为机械运动，防止因为布朗运动导致的细胞中具有方向性的活动出现错误，这些活动包括：肌浆球蛋白,运动蛋白,动力蛋白,螺旋酶,DNA聚合酶和RNA聚合酶等分子马达蛋白的共同特点是沿着一条线性轨道执行一些与生命活动息息相关的功能,比如肌肉的收缩,细胞的分化过程中染色体的隔离,不同细胞间的细胞
7、器的置换以及基因信息的解码和复制等。由于分子马达本身的微型化,它们容易受更高的热能和大的波动的影响,了解马达分子如何正常有序工作就成为一项具有挑战性的任务。利用AFM,人们已经知道了肌动蛋白结合蛋白的结构信息和细胞运动过程中肌动蛋白骨架调控功能。2.2.2脱氧核糖核酸(DNA) AFM液相成像技术的优点在于消除了毛细作用力,针尖粘滞力,更重要的是可以在接近生理条件下考察DNA的单分子行为。DNA分子在缓冲溶液或水溶液中与基底结合不紧密,是液相AFM面临的主要困难之一。硅烷化试剂,如3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和阳离子磷脂双层修饰的云母基底固定
8、DNA分子,再在缓冲液中利用AFM4成像，可以解决这一难题。在气相条件下阳离子参与DNA的沉积
