原子力显微镜在微生物生物膜研究中的应用一、简介-中国显微图像网.PDF

原子力显微镜在微生物生物膜研究中的应用 陈光村 摘要：由于其原位、实时、纳米级的分析尺度及pN 级的作用力分析精度，原子力显微镜被 广泛应用于生物学领域，如用于生物表面的分析、分子间作用力的分析等。本文将从原子力 显微镜的原理、历史及其应用等方面对其进行介绍，并着重介绍它在微生物生物膜研究中的 应用。 关键词：原子力显微镜 生物膜 Application of atomic force microscopy on microbial biofilm research Abstract ：Because of its situ, realtime, nanometer positional accuracy and piconewton force sensitivity, atomic force microscopy has been widely used in biology, such as surface properties analysis and force analysis. This paper presents a short summary of the history, principal and the application of atomic force microscopy, especially on microbial biofilm research. Keyword ：atomic force microscopy; biofilm 一、简介 原子力显微镜发明于1986 年，来源于对扫描隧道显微镜（STM ）的改进 （Binnig et al.,1986 ）,1987 年实现在液体环境中成像(Marti et al., 1987 ），并由于这种特性1989 年开始广 泛应用于生物学领域(Drake et al., 1989)，1999 年由于动力学力谱（DFS ）的应用使得原子力 显微镜开始广泛应用于作用力分析(Merkel et al., 1999)，之后又对其进行了一系列改进并广 泛应用于结构生物学、分子生物学、细胞生物学等各领域(Horber Miles, 2003) 。 原子力显微镜由纳米级的细微针尖、连接针尖的弹性微悬臂、激光发射器、光检测系统 及压电陶瓷扫描管等组成。原子力显微镜的工作原理是当针尖靠近样品表面进行水平扫描成 像时，针尖与样品间微弱的相互作用力引起微悬臂发生形变，使得通过微悬臂背面反射到光 电检测器的激光束发生偏转，在恒力模式下反馈系统根据检测到的偏转位置变化不断调整 针。尖与样品的距离，保持针尖-样品间的相互作用力恒定不变。这样，针尖随着样品表面 的起伏而改变高度，得到样品的表面形貌图像。而原子力显微镜对作用力的分析通过针尖相 对样品在竖直方向来回运动，系统则记录在针尖逼近基底和从基底回退提拉过程中微悬臂弯 曲方向和弯曲程度的变化，再将这一变化转化为力值(力F 的大小等于针尖弹性常数k 与弯 曲程度x 的乘积，F=k ·x) 随距离变化曲线，即得到力谱测量过程中的力- 距离曲线。这种 作用力存在两种方式，一是通过探针接触表面时施加一定力而使悬臂发生偏振，而是探针从 表面收回时由于探头和表面物质的粘附力也会使悬臂发生偏移。通过对两种不同的力的记录 分析可以达到不同的研究目的，如物质的柔软度分析、抗原与抗体间作用力分析(Hinterdorfer Dufrêne 2006) 。 要了解一个物质的功能，往往需要研究其结构及其表面物理化学特性，因此许多技术被 发展起来，如电子显微镜技术、X-射线光电子能谱、红外光谱、接触角仪、电动微流体显 微粒子图像装置等。但这些分析手段大多需要前处理如干燥、固定等，而这种处理有可能会 改变物质的自然状态。而原子力显微镜能在空气、液体、真空等多种环境中成像，样品无需 前处理，能研究生物在其自然状态下的性状，因此被广泛应用于生物学领域的研究（Dufrene 2001; Gaboriaud Dufrene 2007 ）。 二、原子力显微镜在微生物生物膜研究中的应用 由于原子力显微镜实时、原位及纳米级的分析精度，使得它被广泛应用于微生物生物膜 研究中，如研究生物膜的表面结构、微生物在生物膜中的行为、生物膜表面粗糙度以及微生 物在表面的粘附力、微生物表面大分子之间的作用力等。 2.1 生物膜表面结构及微生物行为研究 微生物生物膜形成的过程及微生物在生物膜中的行为，一直