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原子力显微镜及其在生物学研究中的应用

原子力显微镜自从问世以来在生物学研究中有其不可替代的作用，是生命科学研究中不

可缺少的工具。原子力显微镜(AFM)技术本身有许多优势，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中的应用进行综述。

原子力显微镜(AFM)的优势

原子力显微镜(AFM)是80年代初问世的扫描探针显微镜(scanningprobemicroscope，SPM)的一种。1986年，Dr.Binning因发明扫描探针显微镜而获得诺贝尔物理奖。这种显微镜的放大倍数远远超过以往的任何显微镜：光学显微镜的放大倍数一般都超不过1000倍；电子显微镜的放大倍数极限为100万倍；而原子力显微镜的放大倍数能高达10亿倍，比电子显微镜分辨率高1000倍，可以直接观察物质的分子和原子，这为人类对微观世界的进一步探索提供了理想的工具。

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。

原子力显微镜(AFM)原理

原子力显微镜(AFM)通常使用氮化硅作为一个灵敏的弹性微悬臂,在其尖端有一个很尖的

探针用来在样品上扫描。点状物或原子之间的相互作用力通常用Lennard-Jone电位描述:

U(r)=-U0[(r0/Z)12-(r0/Z)6]此处Z为原子间距,U0和r0分别为平衡状态下原子间的能量

和距离。当原子间距小于r0时，原子间作用力由吸引力变为排斥力。探针与表面之间的

吸引力和排斥力被用于扫描力试验。不同表面方位的探针作用力给出关于表面形态和一

些其他表面特征的信息。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。

轻敲模式(TappingMode,TM)成像技术在用原子力显微镜(AFM)观察柔软、粘连、易碎的

样品方面,TM成像术的出现是一个关键性进步。TM-AFM在空气中扫描时，探针通常以5000

0～500000次/秒的频率交替接触和离开表面。由于针尖接触表面造成能量损失，悬臂振

荡减弱,这种振幅的减小可以用来鉴别、测量表面状态。当针尖通过表面隆起部分时，悬

臂在较小空间内振荡，振荡的振幅同时变小;相反,当针尖通过凹陷处时,悬臂在较大范围

振荡,振幅变大。数字反馈回路用来

调整针尖-样品间距以维持恒定的振幅和作用于样品上的力。TM-AFM在液体媒质中扫描时

,为了避免使整个液体细胞在悬臂振荡驱使下进入上下运动状态,必须选择一个合适的振

荡频率(通常在5000～40000次/秒的范围内)。这种方法的特点是：当针尖沿X方向进行扫

描时，周期性的使针尖在Z方向上撤离样品表面然后再接近，并保持每次撤离的距离相等

，如果针尖撤离足够远，那麽针尖对样品的横向作用力就不会被累积，从而可减少针尖

对样品的破坏作用。TM-AFM成像的优点在于,它既可以防止针尖与表面粘连和扫描过程中

造成的样品破坏,又能接触表面并获得高分辨图像。而且TM-AFM成