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原子力显微镜在生物医学应用中的现状分析

原子力显微镜在生物医学中 应用的现状分析 项目完成单位:国家生物医学分析中心,毒物药物研究所★ 项目完成人:张德添 张 飒 张英鸽★ 杨 怡 周 涛 何 昆 摘 要 原子力显微镜(AFM)是近十几年来表面成像技术中最重要的进展之一。它具有非常高的分辨率。本文将讨论原子力显微镜的工作原理、原子力显微镜在生物医学应用中的现状,包括生物医学样品的表面形貌观测,在液体中的观测,生物分子之间力谱曲线的观测,以及生物医学样品制备技术等进行初步的分析和讨论。 关键词 原子力显微镜、分辨率、生物分子 原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,简称AFM )[1]是近十几年来表面成像技术中最重要的进展之一。与传统的扫描电子显微镜相比,它具有非常高的横向分辨率和纵向分辨率。正常情况下,横向分辨率可达到0.1~0.2纳米,纵向分辨率高达0.01纳米。这是扫描电子显微镜很难达到的。同时,AFM能够在生理状态下(如在液体中)成像,而且还可以在分子水平上进行力谱曲线的检测,研究其结构和功能的关系。这在生物医学研究中具有重要的意义[2]。当然,原子力显微镜在生物医学应用中,也存在一定的局限性和困难。 一、原子力显微镜工作原理介绍 原子力显微镜工作原理是利用激光束偏转法,将针尖制作在一个对微弱力极敏感的V字形的微悬臂上,微悬臂的另—端固定住,使针尖趋近样品表面并与表面轻轻接触,由于针尖尖端原子与样品表面原子之间存在着微弱的排斥力,当针尖进行扫描时,可通过反馈系统控制压电陶瓷管伸缩来保持原子间的作用力恒定,带有针尖的微悬臂将随着样品表面的起伏而颤动,利用光学检测方法得到样品表面形貌的信息。 AFM具有很宽的工作范围。可以在诸如真空、大气、低温以及各种液体环境中使用,从而可使研究者选择适当的环境进行研究。AFM观测的生物医学样品可以从单个分子到整个细胞。AFM有两种工作模式:恒高模式(保持样品和探针间的距离不变,测量每一点作用力的大小)和恒力模式(保持样品和探针间作用力不变,测量每一点高度的变化)。这两种模式都可以得到与表面形貌有关的丰富信息,经过计算机采集、处理,最后成像。AFM原理图,如右图所示。 二、原子力显微镜在生物医学中的主要应用方面 1987年,世界上成功地推出了第一台商业化的扫描隧道显微镜(STM)后,大约过了两年,世界上又成功地推出了第一台商业化的原子力显微镜(AFM)。它们也可统称 为扫描探针显微镜(SPM)。扫描探针显微镜(SPM)是继光学显微镜,电子显微镜之后的 第三代显微镜。这是一种以物理学为基础,集多种现代科技为一体的新型表面分析仪器。 它们的共同特点是能对以前无法观察到的材料表面(包括非生物材料和生物材料)纳米尺度的结构和性能进行成象和探索研究。一般来说,原子力显微镜有接触式(CONTACT MODE)和轻敲式(TAPPING MODE)两种工作方式。其中轻敲式工作方式比较适合生物医学样品。目前,各大公司所销售的原子力显微镜中,一般都配置有扫描隧道显微镜的功能[3]。 21世纪将是生命科学的世纪。当今生命科学已经从描述性、实验性科学向定量科学性过渡。研究的焦点是生物大分子[4]。尤其是蛋白质和核酸发展起来的结构与功能的关系研究。纳米生物学是在纳米尺度上研究生物的反应机理,包括修复、复制和调控方面的生物过程,以及对分子的操纵和改性为目的分子生物工程等。由于AFM可在大气或液体的自然状态直接对生物医学样品进行成像,分辨率又比较高,因此, AFM已成为研究普通生物医学样品,及其生物大分子的理想工具之一。主要应用方面包括: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等。 三、原子力显微镜对生物细胞的表面形态观测 一般人都认为,AFM 能够在自然环境中直接观测生物样品的表面结构,而且避免了复杂的制样制备过程,以及电子束辐射所带来的样品损伤。但实际情况并非完全如此。AFM对生物医学样品制备,同样也有一定的要求和具备一定的特点。这些要求包括:表面要求平整,高度起伏大约要求( 10(m-20 (m之间;表面要求有一定的硬度;基底面要求平滑, 如新鲜解离的云母片等;对于较大的颗粒、细胞,可用如盖玻片, 塑料片等;样品在基底表面要求相对均匀分散等。客观地讲,相对于电镜的复杂的生物样品制备过程来说,原子力显微镜的生物样品制备过程要简单一些。但遗憾的是,没有一种普遍可适用的方法,能够解决原子力显微镜所有的生物医学样品的制备问题。因此,一般情况下,都需要科研人员必须自己动手来制备符合AFM的技术要求的样品,才能获得满意的AFM 观察效果。 如游离细胞样品制备过程大致步骤如下:首先提取细胞;然后2.5%戊二醛固定;制备新鲜的云母表面;云母表面:用双面胶

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