原子力显微镜技术及其在细胞生物学中的应用

合集下载

原子力显微技术在生物学中的应用

原子力显微技术在生物学中的应用随着科学技术的不断发展，原子力显微技术也应运而生。

原子力显微技术是一种通过在样品表面扫描探头来获取图像的高分辨率成像技术。

它不仅能够提供极高的空间分辨率，而且还能够获得样品的化学和力学性质，可应用于材料科学、物理学、化学和生物学等多个领域。

本文主要探讨原子力显微技术在生物学中的应用。

一、原子力显微技术的基本原理原子力显微技术是一种非接触式成像技术，其基本原理是利用微米级探针在样品表面扫描，通过检测探针和样品之间的相互作用来获取高分辨率的表面形貌和力学性质。

探针通常由硅或钨等材料制成，直径约为10纳米。

原子力显微技术可分为多种形式，包括原子力显微镜（AFM）、电势显微镜（EFM）和力谱显微镜（FSM）等。

其中，AFM是最为常见的一种，可用于量化表面形貌和力学性质。

二、原子力显微技术在生物学中的应用原子力显微技术在生物学中有着广泛的应用，主要包括以下几个方面：1. 分子生物学研究利用原子力显微技术可以观察到分子级别的生物学结构信息。

例如，可以测量蛋白质、DNA等生物分子的形态和结构；还可以探测脂质膜的分子分布、屈曲程度等。

2. 细胞生物学研究利用原子力显微技术可以直接观察到细胞表面的形态特征和结构信息。

例如，可以测量细胞表面的粘附力、弹性模量、摩擦力等参数；还可用于研究细胞内的结构、蛋白质聚集和分布、标记物的移动和动力学等。

3. 生物物理学研究利用原子力显微技术可以研究细胞和生物体系的物理性质，包括弹性、刚度、黏滞度等。

例如，可以分析分子、蛋白质及细胞壁的力学性质，以及材料学、纳米学等领域中的机械性能。

4. 病毒学研究利用原子力显微技术可以对病毒的形态、结构、物理特性等进行研究。

例如，可以研究病毒的组成、表面上的突起或蛋白质结构等，这些信息通常是病毒进一步研究的基础。

5. 生物医学研究原子力显微技术在生物医学研究中也有着广泛应用。

例如，可以用于生物样品的成像和表面分析，以及疾病的早期诊断和治疗策略的开发。

原子力显微镜在细胞生物学的应用

原子力显微镜在细胞生物学的应用1AFM在细胞生物学领域的主要应用(1)观察细胞形态及细胞表面局部的物理特征细胞膜构成细胞对外界环境的屏障,是细胞内外交流的界面,在细胞生命活动中发挥着重要的作用。

由于细胞膜结构的复杂性和研究条件的不成熟等因素,以前对细胞膜的表面结构认识较少。

AFM的出现为细胞膜结构的观察提供了更加广阔的研究空间。

对一个细胞而言,AFM不但能够提供长度、宽度和高度等形态方面的信息,还可以满足人们对膜上的各种通道、丝状伪足和细胞间连接等细微结构的研究。

曾有用AFM研究甲状腺相关眼病的外周血中胸腺依赖性淋巴细胞T细胞的细胞膜，结果发现其形态学和超微结构不同于正常组的受试对象。

甲状腺相关眼病急性期与稳定期的淋巴细胞膜超微结构也有不同。

(2)监测细胞细胞骨架变化炎症和肿瘤发生过程中细胞的多种病理改变，如细胞增殖，浸润生长等与细胞骨架的变化有密切关系，所以要采用AFM观察细胞内的骨架结构，究其原因，一种观点认为可能是因为当探针扫过亚细胞结构的原生质膜时，原生质膜本身发生变形和起皱，从而显示出亚细胞结构的轮廓，或者是探针插入原生质膜而直接显示亚细胞骨架结构;但是而又一种观点则认为是在细胞边缘细胞质较薄，因而利用探针能够对亚细胞骨架直接成像。

目前用AFM研究细胞骨架的进展有Christian等使用轻敲模式(tappingmode)AFM扫描了培养的CV-1肾细胞膜表面，观察到了细胞的骨架结构。

Henderson等和Chang等采用AFM在未使用任何染色技术的情况下观察了活细胞中的肌动蛋白纤维和其他细胞骨架结构。

有人还尝试用某些因素干预(如加入有机试剂)后的细胞骨架的变化情况，并得到了极佳的细胞骨架图像。

如Wada等利用AFM观察到了豚鼠外部容貌细胞的皮质骨架在经过处理后的形态学变化。

潘雷霆等用AFM观察在PKC(蛋白激酶C，proteinkinaseC)激活剂佛波酯(phorbol12-myristate13-acetate,PMA)和PKC抑制剂GF109203X刺激下，大鼠滑膜细胞骨架变化情况，发现刺激前细胞形态舒展，刺激后细胞形态发生了明显的隆起收缩。

细胞生物力学的研究方法及其应用

细胞生物力学的研究方法及其应用细胞生物力学，顾名思义，是研究生物体内单个细胞机械性质的学科。

近年来，由于技术手段的不断提高，细胞生物力学得到了越来越多的关注和研究。

本文将介绍当前常用的细胞生物力学研究方法及其在生物学、医学等领域的应用。

第一，原子力显微镜（AFM）原子力显微镜，是一种用于材料表面形貌和物理化学性质研究的宏观静态力学显微镜。

近年来，它也被广泛应用于细胞生物力学。

AFM可以在细胞表面扫描出其形貌结构，同时提供各种力学参数的测量。

例如，它可以测定细胞的硬度、弹性模数、粘附力等力学参数，从而揭示细胞的生物物理特性。

AFM的优点在于可以直接测量单个细胞的形态和力学特性，并且不会对细胞造成伤害。

此外，AFM可以在生命体内进行活体测量，可以更加真实地反映细胞的生物物理特征。

第二，拉伸式细胞生物力学实验这是一种基于机械实验装置的细胞力学试验。

拉伸式细胞生物力学实验可以测量细胞的有限元分析、张力分布等力学参数，从而了解细胞在外力下的变形和应力状态。

同时，这种实验可以研究细胞内部力的平衡，研究细胞内大分子的力学特性。

拉伸式细胞生物力学实验常用于细胞稳态、生长和迁移等方面的研究。

第三，光学牵引力显微镜（OT）光学牵引力显微镜，是一种非接触、光学控制下研究细胞运动和力学行为的实验技术，称为“光学镊子”。

它可以利用激光光束的光学力控制微米级别细胞的运动，同时实时追踪微小颗粒到纳米级别的位移、速度和应力等变化。

光学牵引力显微镜技术的优点是可以对单个细胞进行可控制的牵引力实验，测定细胞内蛋白质分子的颗粒动力学，证明各种细胞内生物标签或药物的分布和传输。

此外，由于操作非常灵活，长期研究难度较小，有助于细胞生物力学实验结果的稳定和可靠。

总之，细胞生物力学是一门尝试了解和解决生物体内机械问题的新兴学科，其研究方法也在不断创新和完善。

通过不断改进研究方法，细胞生物力学的研究在生物学、医学、生物材料等学科领域的应用也在不断扩大。

原子力显微镜在生物学中的应用与发展前景

原子力显微镜在生物学中的应用与发展前景生物学是科学的一个庞大的分支，但其研究的对象核心并非小到能够仅以肉眼观察或光学显微镜观察的细胞和生物化学分子，而是可以通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等高分辨率显微技术进行解析的亚细胞结构和纳米级的单分子活动。

尤其是原子力显微镜，因其高精度和示踪性能，在生物学研究领域中扮演着至关重要的角色，特别是在生物膜和蛋白质结构解析、生物分子作用机理的研究中取得了不俗的发展。

1. 原子力显微镜简介与特点原子力显微镜作为一种高分辨显微技术，可以解析大约0.1~10nm范围内物体表面的原子结构，由于其非接触式测量和直接观察物体表面形貌的优势，因此得到了广泛应用于纳米科技、表面科学、材料学、半导体工业、分子生物学和生物医学等领域。

与电子显微镜等高分辨显微镜不同，AFM通过测量探针与样品之间的相互作用力，同时在样品表面移动探头并使其像平面式荧光显微镜（TIRF）一样接近样品表面，可以得到其三维图像。

因此，原子力显微镜具有如下几个特点：（1）使用AFM技术可以无需特殊的样品制备过程；（2）AFM是一种非接触形式的测量，并且单探针可以应用于不同类型的样品表面，特别是能够在气体、液体以及真空环境下进行扫描；（3）AFM技术不仅可以用于图像记录，还能测量样品表面的机械性质，如硬度、弹性模量、摩擦系数等，同时还可同时进行纳米操作和刻写；（4）AFM技术的实验数据自动化程度高，因此更适用于高通量和重复性的测量任务。

2. 原子力显微镜在生物信息学及生物学中的应用（1）生物膜中生物分子结构及动力学的探测AFM技术已经发展到可以解析单个蛋白质分子在膜表面的分布，形态和互作。

尤其是对于膜蛋白，其在细胞表面发挥重要的转运、信号转导和细胞识别等功能。

但是，由于膜蛋白不稳定、特异性和海绵质状结构的限制等原因，解析膜蛋白的非实时单分子结构和动力学相当困难。

AFM技术的优势在于其可在生理条件下对活的膜蛋白进行转运、摆动和配体的结合和解离等生理过程的实时图像记录，同时结合与计算机的人工智能深度学习算法（如高斯拟合和重构等算法），提高处理和解析膜蛋白低频振动和热动运动的有效性。

原子力显微镜在生物医学中的应用

原子力显微镜在生物医学中的应用【摘要】原子力显微镜在生物医学中的应用已经取得了显著的成就。

在细胞和分子水平上，原子力显微镜帮助科学家们研究细胞结构和功能机制，揭示了许多生物过程的奥秘。

在蛋白质结构研究中，原子力显微镜提供了高分辨率的图像，帮助科研人员理解蛋白质的构型和功能。

在药物研发领域，原子力显微镜可以帮助科学家们更快速地筛选药物候选物，加速新药的研发过程。

原子力显微镜还在疾病诊断和生物材料研究中发挥着重要作用。

原子力显微镜为生物医学领域带来了巨大的进步，其应用前景也十分广阔，必将继续推动生物医学领域的发展。

【关键词】原子力显微镜，生物医学，细胞，分子，蛋白质结构，药物研发，疾病诊断，生物材料研究，进步，前景。

1. 引言1.1 原子力显微镜在生物医学中的应用在细胞和分子水平上，原子力显微镜可以提供高分辨率的图像，帮助科研人员观察细胞内部的结构和功能。

通过原子力显微镜，研究人员可以更清晰地了解细胞表面的形态和结构，进而研究细胞的生物活动过程。

在蛋白质结构研究中，原子力显微镜也发挥着重要作用。

通过原子力显微镜技术，科研人员可以观察蛋白质的结构和功能，从而深入研究蛋白质在生物体内的作用机制。

在药物研发领域，原子力显微镜可以帮助科研人员研究药物与细胞的相互作用，从而提高药物研发的效率和成功率。

原子力显微镜在生物医学领域的应用为科研人员提供了更多的研究手段和思路，促进了生物医学领域的发展。

原子力显微镜的应用前景广阔，将为生物医学领域带来更多的突破和进步。

2. 正文2.1 原子力显微镜在细胞和分子水平上的应用原子力显微镜(AFM)是一种基于原子份子力的显微镜，可以实现纳米级别的图像分辨率，使得科研人员能够更深入地研究生物体系在细胞和分子水平上的结构和功能。

在生物医学领域中，原子力显微镜的应用极为广泛，其主要应用包括以下几个方面：1. 细胞形态和表面结构的研究：原子力显微镜能够在纳米尺度下对细胞的形态和表面结构进行高分辨率的成像，揭示细胞表面的微纹理、微结构及细胞器的分布情况，从而帮助研究人员更全面地理解细胞的结构和功能。

原子力显微镜在生物学中的应用前景

原子力显微镜在生物学中的应用前景生物学是研究生命科学的重要专业，对于探究生命本质，提高人们对生命认识的深刻程度具有重要的意义。

而原子力显微镜技术在生物学中的应用，不仅为研究细胞、基因、蛋白质等分子生物学提供了更为精确的工具和方法，还提高了分子生物学的准确性和有效性。

本文将从原子力显微镜的原理、优势、在生物学中的应用等方面进行综述，并展望原子力显微镜技术在未来生物学研究中的应用前景。

一、原子力显微镜的原理原子力显微镜（AFM，Atomic Force Microscope）是1980年代初发明的一种基于扫描探针显微镜原理的新型高分辨率表面显微镜。

AFM是一种非光学显微镜，利用微小的力测量探针，逐个原子地在样品表面上扫描，以实现具有亚纳米分辨率和原子尺度分辨的三维非接触原子分析。

AFM技术主要运用于样品表面逐点扫描和表面显微分析，而比较少用于内部结构的表征。

AFM的扫描探头是一枚马蹄形的束腰硅探针，探针下端长约20微米，宽约2微米，厚约0.3微米。

探针设计高度敏感，能够准确地感受到样品表面的重量以及力输出，实现高分辨三维成像。

二、原子力显微镜的优势AFM技术在生物学中具有的优势在于：高分辨率和高灵敏度。

这意味着AFM能够检测到高分子物质和生物体系中的细胞质骨架、纤维蛋白、DNA等生物基础材料，以及复杂蛋白质复合物的形态、空间结构和功能。

AFM技术的优势主要有以下几点：1、非接触式测量方式，使扫描探针和样品表面之间没有接触作用，从而避免了样品污染现象的发生。

2、可靠性和鲁棒性，使其可能在复杂的实验条件下进行精细和稳定的表征分析。

3、可实现原子级别的局部电学和磁学成像，使其能够实现复杂的表面一些物理化学性质的表征。

三、原子力显微镜在生物学中的应用AFM技术在生物学中的应用主要可以分为四个方面：纳米材料表征、细胞表征、蛋白质结构和染色体结构。

1、纳米材料表征生物材料中的分子和细胞结构就像自然的纳米机器，具有很强的生物相容性、组织生物学性和生物活性。

原子力显微镜在生物学研究中的应用

原子力显微镜在生物学研究中的应用原子力显微镜(AFM)是一种高分辨率、无需标记、不需要真空环境就能进行观测的成像技术。

随着技术的不断改进，AFM在生物学研究中的应用越来越广泛。

本文将介绍AFM的基本原理、在生物学中的应用和未来发展方向。

一、基本原理AFM通过探针与样品的相互作用来获取样品表面的拓扑信息。

这个探针位于一个臂架上，通过悬挂式或压电式两种方式进行运动。

当探针接触到样品表面时，会在探针和样品之间产生作用力，探针的运动将受到这些作用力的影响，从而得到样品表面的拓扑信息。

二、在生物学中的应用1.生物大分子观测AFM可以成像蛋白质、DNA、RNA和其他生物大分子的结构。

与传统的电子显微镜(EM)相比，AFM不需要真空环境和样品前处理，也不会损伤样品。

同时，AFM可以在液相和气相中进行观测，这意味着大分子可以在生物环境中直接观察到。

2.生物膜成像AFM可以成像细胞膜、细胞壁和其他生物膜的结构。

因为AFM不需要涂覆金属或其他物质，也不需要切片或染色等处理，所以可以直接观测生物膜的结构和组成。

3.病毒学研究AFM可以成像和测量病毒颗粒的结构和力学性质。

这些信息对研究病毒在侵入宿主细胞中的机理、设计抗病毒药物和疫苗等方面具有重要意义。

三、未来发展方向1.多参数成像AFM可以测量样品表面的力学和电学特性，因此未来可以将AFM与其他成像技术结合，实现多参数成像。

这种技术将提高我们对生命体系的理解，并促进生物学、物理学和化学学科之间的交叉研究。

2.超分辨率成像AFM的分辨率受到样品表面结构和探针尺寸的限制。

但随着技术的改进，未来的AFM可以实现超分辨率成像，从而更精细地观察生物分子和生物膜的结构。

3.力学成像AFM可以测量样品表面的力学性质，如弹性模量、黏度和附着力等。

未来的AFM可以进一步开发力学成像技术，帮助我们深入了解生物体系的力学性质，如细胞和组织的拉伸、变形和压缩等。

综上所述，AFM是一种非常有前途的成像技术，在生物学、物理学和化学学科中都具有广泛的应用前景。

原子力显微镜在生物学中的应用

原子力显微镜在生物学中的应用随着科学技术的发展和生物学研究的深入，原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）逐渐成为生命科学领域中不可或缺的工具之一。

AFM是一种利用原子力及电子信号对物体表面形貌进行观察和研究的高分辨率显微技术。

目前，AFM已经成功地应用于生命科学中各个领域，如生物分子、细胞器、细胞表面、细胞膜和人工纳米结构等。

1. AFM在生物分子领域的应用生物分子是生命活动的基本单位，对于生物学研究具有至关重要的意义。

利用AFM技术，可以对生物分子进行高分辨率的成像，包括蛋白质、核酸、碳水化合物等。

例如，已经成功地使用AFM研究了蛋白质聚合物的二级和三级结构、生物大分子在溶液中的分子构象等。

此外，AFM还可以用于测定蛋白质分子的粘附强度和机械性质等，为进一步探究生物分子的结构和功能提供了有力的工具。

2. AFM在细胞器和细胞表面领域的应用细胞器是细胞内功能区域，其中包括内质网、高尔基体、溶酶体等。

AFM技术可以用于直接观察这些细胞器的结构，比如细胞核内的染色质形态、蛋白质分子的聚集形态等。

此外，AFM还可以在实验室环境中研究细胞外基质（如胶原蛋白等）与细胞表面的相互作用，以及细胞表面上的蛋白质分子、脂质体等的分子构象和生理功能。

这些观察为进一步理解细胞结构与功能提供了细胞水平的数据支持。

3. AFM在微生物领域的应用微生物是现代生物学研究的重要对象，包括细菌、真菌、病毒等。

AFM技术可以用于对微生物表面的直接成像，如病毒、霉菌和细菌等微生物的表面形貌。

通过AFM技术可以观察到微生物的细节结构，如病毒粒子、菌丝等的形态，进一步研究其生长特性和抗药性等。

与其他电子显微镜相比，AFM具有独特的样品扫描方式和高灵敏度，更适用于一些高密度和薄膜状样品的观测。

4. AFM在纳米材料领域的应用随着人类对纳米材料的研究越来越深入，AFM技术也逐渐被应用于纳米材料领域。

由于AFM具有高分辨率、非破坏性等优势，可以对纳米材料进行高精度的表征。

原子力显微镜的应用

原子力显微镜的应用原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，简称AFM）是一种用来观察固体表面的先进技术。

它可以对不同材料的形态、性质和结构进行高分辨率成像和力学探测。

AFM的工作原理是利用微小弹性探针对样品表面进行扫描，通过跟踪探针的运动获取局部表面形貌、力学性质等信息。

AFM是近年来材料科学、电子学、生物学等领域中应用最广泛的显微技术之一。

一、原子力显微镜的成像原理AFM可以实现非常高的空间分辨率，能够同时像普通显微镜和扫描电子显微镜（SEM）一样提供子纳米级别的图像分辨率和成像深度。

AFM从表现形式上可以分为离散或连续两种模式，离散模式是让探针接触到样品后再扫描，连续模式则是在扫描时始终保持探针与样品间的距离。

AFM的成像可以分为接触模式和非接触模式。

接触模式是探针接触到样品表面，以探头被物体挤压的形式感知样品表面形貌和机械性质。

非接触模式基本上可以看作探头不接触样品而仅从靠近表面处的力量来探测。

在实践中，大多数情况下使用非接触模式。

二、原子力显微镜在生物学领域中的应用AFM已经成为了生物分子和薄膜研究的杰出工具，也被广泛应用于分子识别和结构分析。

AFM成像可以直接观察生物大分子的结构，可用于研究蛋白质、DNA 等生物分子的结构及其性质。

AFM成像技术能清晰显示生物高分子的形态结构，不受飞行束流的限制，因此可以在生物学研究上更加轻松地获得高质量的图像。

此外，AFM还可以用于评估生物大分子的力学性质，包括生物大分子的弹性、硬度和黏滞性等。

常见的生物学应用包括：1. 评估生物大分子的拓扑形态：AFM成像可以清晰显示生物高分子的形态结构，包括蛋白质、DNA等。

这种成像可以用于研究生物大分子的结构及其性质，例如蛋白质的折叠状态、靶向与确定靶标分子、鉴定有机小分子与生物大分子的相互作用。

2. 测定细胞表面高度分布：AFM可以用于确定细胞表面的高度分布情况，从而能够实现对细胞表面进行3D成像。

原子力显微镜在细胞生物学研究中的应用

原子力显微镜在细胞生物学研究中的应用*谭　毅　王贵学综述　蔡绍皙　审校(重庆大学生物工程学院国家教育部生物力学与组织工程重点实验室,重庆　400044) 摘要　原子力显微镜(AF M),是细胞生物学研究的一种有效工具。

它可以在生理条件下以极高的分辨率对活细胞进行表面成像和细胞表面受体定位;同时用A FM可以研究细胞骨架的变化、细胞的生物过程和细胞间的相互作用。

近年来A FM在细胞生物学研究中的应用进展很快,许多研究成果在生物医学和临床医学方面有良好的应用前景。

关键词　原子力显微镜　细胞生物学　细胞表面特性　细胞骨架Application of Atomic Force Microscopy in Cell BiologyTan Yi　Wang Guixue Cai shaoxi(K ey L aboratory f or B iomech anics&Tissue Eng ineer ing of the S tate M inistry o f Ed ucation,Colleg e o f Bioeng ineeringChongqing Unive rsity,Chong qing　400044,China) Abstract　T he ato mic fo rce micr oscopy(AF M),an impo rt ant instr ument fo r the st udy of cell biolog y,has been used to image the living cells and localize the cell surfa ce r ecept or s under phy siolog ical conditio ns by per fect hig h resolutio n.It w as also utilized in the investig ations o f the cy to skeleton,bio lo gical pr ocess and inter actio ns be-tw een cells.T he applica tio ns o f A FM in cell bio lo gy have been achiev ed gr eatly in recent yea rs and many r esults present a go od pro mise in biom edical and clinical medical fields.Key words　A to mic for ce micr oscopy(AF M) Cell biolog y Pr operties of cell surface Cyt oskeleto n1　引　言原子力显微镜(Ato mic for ce microscopy, AFM),又称扫描力显微镜(Scanning fo rce m i-cro scopy,SFM),是扫描探针显微镜(Scanning pr obe micro scopy,SPM)的一种。

原子力显微镜在生物医学中的应用

原子力显微镜在生物医学中的应用
原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种分辨
率极高的显微镜技术，能够用于生物医学领域的多个应用。

下面将
详细介绍AFM在生物医学领域中的应用。

一、细胞和细胞器的成像
AFM可以用于对单个细胞和细胞器的成像，如细胞膜、细胞核
和细胞器如线粒体等的成像。

AFM可以提供高分辨率的三维成像，
并可以观察细胞和细胞器的形态、大小、表面形貌和组成成分等，
有助于了解细胞机制和病理生理学。

二、蛋白质结构的观察
AFM可以用于观察蛋白质的结构，包括单个或组合的蛋白质、
聚集态蛋白质、膜蛋白以及蛋白质间相互作用。

与其他技术相比，AFM的分辨率高，不需要复杂的样品制备，对蛋白质的观察条件也
比较宽泛，因此被广泛应用于蛋白质生物化学研究中。

三、分子识别
AFM可用于总体和分子级别的识别。

通过结合分子力学模拟和
实验结果，可以确定分子之间的相互作用。

例如，可以通过识别抗
体和抗原之间的相互作用来了解免疫反应的机制。

四、细胞表面受体的研究
AFM可以准确地测量细胞表面分子的形状、大小、形态和分布，可通过识别分子与其配体之间的相互作用，来检测生物大分子如蛋
白质、DNA序列。

这些信息在研发药物和治疗方案时具有重要的参考价值。

总之，AFM作为一种高分辨率的显微镜技术在生物医学中的应用十分广泛，通过其独特的测量和成像能力，可提供有价值的数据和信息，有助于认识生物大分子的结构和功能，为新的治疗和预防策略的开发提供科学依据。

原子力显微镜技术及其在细胞生物学中的应用

原子力显微镜技术及其在细胞生物学中的应用摘要从原子力显微镜的发展、特点、操作模式以及联用技术等方面对原子力显微镜技术作了简要的介绍, 从细胞固定方法、细胞成像、力检测以及细胞操纵等方面综述了原子力显微镜技术在细胞生物学方面的应用, 并对原子力显微镜技术的发展进行了展望.关键词原子力显微镜操作模式联用技术细胞生物学最近几十年来, 纳米尺度上物质的结构、相互作用以及一些特殊的现象等越来越受到关注, 各种研究方法和仪器手段也应运而生, 原子力显微镜(AFM)就是其中的一种, 它是扫描探针显微镜(SPM)家族中的一个重要代表. 20世纪80年代初[1,2], 具有原子级分辨率的表面形貌测试仪—扫描隧道显微镜(STM)在IBM苏黎世实验室问世. 由于其可在多种环境下工作, 且制样简单, 因此很快就得到了广泛的应用. 然而, 随着STM在表面科学和生命科学领域的广泛应用, 它的一些不足之处如样品必须导电等逐渐暴露出来. 在1986年, 基于样品-针尖相互作用力的高分辨原子力显微镜(AFM)诞生[3], 它能获得纳米尺度上物质表面形貌并实现分子间相互作用力的检测, 因此很快在生命科学领域得到了广泛的应用, 无论是生物小分子还是核酸、蛋白质等生物大分子以及细胞方面都有研究报道. 本文拟对原子力显微术及其在细胞生物学方面的应用进行综述.1 原子力显微镜简介原子力显微镜通过控制并检测样品-针尖间的相互作用力来实现高分辨成像[1,4]. 首先控制微悬臂顶端的微小针尖, 使其与待测样品表面有某种形式的力接触, 然后通过压电陶瓷三维扫描器驱动针尖或样品作相对扫描, 作用在样品与针尖之间的各种作用力会使微悬臂发生形变, 这些形变可通过光学或电学的方法检测, 最后转化成图像输出(如图1).AFM具有以下特点: (1) 待测样品无需导电; (2) 可得到高分辨物体表面的三维形貌; (3) 可以在多种环境(如真空、大气、溶液、低温等)下工作, 特别是在溶液环境下生物样品可保持其自然状态, 从而避免制样过程中所造成的样品变形或变性;(4) 可以进行连续动态分析. 它能在接近生理状态的条件下观察样品, 因此许多研究者通过对生物样品的连续成像, 以了解某些生命活动的动态过程.图1 原子力显微镜成像原理示意图根据针尖与样品作用方式不同, 原子力显微镜的操作模式主要可以划分为接触式、非接触式和间歇接触式等三种. 在接触式模式下, 针尖始终同样品接触并简单地在表面移动, 虽然这种模式可产生稳定、高分辨的图像, 但针尖在表面的移动及针尖-表面间的剪切力可能损伤样品和针尖. 而在非接触模式下, 针尖不与样品接触, 因此不会对样品造成污染或损伤, 但分辨率相对不高. 间歇接触模式下, 针尖通过振动与样品间断地接触, 减少了剪切力引起的对样品的破坏, 可对柔软、易碎、黏附性强的样品成像, 因此特别适合生物样品研究. 在间歇接触模式中, 有两种驱动微悬臂振动的方法. 一种是轻敲模式[5](Tapping Mode), 微悬臂的振动是由扫描头上的压电陶瓷所产生的高频声波驱动. 另一种是磁力驱动模式[6-8](MAC Mode), 具有磁性的微悬臂的振动是通过装在微悬臂附近的一个磁线圈产生的交流磁场来驱动的, 这样可获得更为单纯的微悬臂响应, 而不会激发出轻敲模式所固有的背景噪音, 当在液体环境下工作时这种优势更为明显.2 联用技术随着原子力显微术的发展, 为了充分发挥其分辨率高以及定位精确等优点, 同时弥补其样品寻找困难等缺点, 从而拓展其应用范围, 原子力显微术与其他技术的结合成为必然的发展趋势.研究人员通过对针尖进行适当的改造将其他技术整合进来, 以适应研究的需要. Manalis小组[9]直接将一个微小的光寻址电位传感器结合到原子力显微镜的微悬臂针尖上, 组合成扫描探针电位仪. 这样可以利用原子力显微镜精确的定位机制, 在获得样品表面形貌信息的同时测量样品表面特定部位的pH值.许多研究者将电化学技术和原子力显微镜结合起来, 以研究电极表面小分子的吸附、电化学沉积膜的形成和特点以及测定静电力等[10]. 此外还有研究者利用它们对一些生物电化学过程进行了更深入的研究. Kelley等人[11]通过金电极表面电极电势来控制固定化DNA单层膜取向, 认为利用这种性质可以构建电化学纳米开关, 并可应用于DNA传感器和纳米电子器件的研究中. 这种联用技术也被用于研究肌红蛋白在高定向裂解石墨和自组装双十二烷基二甲基溴化铵(DDAB)膜表面的吸附行为[12].将原子力显微镜与其他一些显微技术结合也是一种发展方向. Vesenka等人[13]将光学显微镜与原子力显微镜组合起来, 利用光学显微镜对样品进行粗略的定位, 然后利用原子力显微镜观察样品超微结构和测量其物理特性等, 这样就避免了单一使用原子力显微镜时样品寻找的困难等问题. Ikai小组[14]则将原子力显微镜和全内反射荧光显微镜联用来进行单细胞的研究, 通过全内反射荧光显微镜来检验原子力显微镜对细胞进行的操纵情况. 两种技术联用之后, 使得纳米水平的操纵和高灵敏的单分子定位成为可能, 并将在单细胞研究方面得到广泛的应用. 而Joachimsthaler等人[15]则开发出了能安装在扫描电子显微镜中的原子力显微镜, 形成了微观分析技术的新一代组合. 先在扫描电子显微镜中观察到一个特定区域, 锁定目标, 然后用原子力显微镜进行原子尺度的观察、精确的高度测量以及一些材料物理特性的测量.3 细胞生物学应用细胞是生命体结构与生命活动的基本单位, 一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找. 目前细胞生物学研究已从细胞群体深入到单细胞及细胞组分研究, 因此需要一些具有高分辨和连续动态分析能力的新技术新方法. 而原子力显微镜的出现则正好为细胞结构纳米尺度的观察及一些动态过程的获得创造了条件. 在原子力显微镜出现以来短短十几年间, 它已经被广泛地应用于生命科学的各个研究领域. 借助它可以获得单个生物大分子、细胞的结构信息, 对单个生物分子进行操纵; 借助它可以进一步了解细胞结构与功能之间的关系; 通过它与其他技术(如荧光显微术、扫描电子显微镜等)的联用可以拓宽其应用范围; 通过对针尖的修饰[16,17]可以研究生物分子之间相互作用力, 进行反应位点识别成像等. 下面将主要对原子力显微镜在细胞生物学方面的应用进行综述.3.1 细胞固定方法研究对于原子力显微镜成像而言, 样品在基底表面的固定是一个至关重要的问题, 对于细胞样品来说尤其如此. 如何将细胞样品固定得比较牢固又保持细胞的原始状态是许多研究者关心的重点.最初的报道中细胞一般都是经过自然干燥固定[18-24]后在空气介质中进行成像研究. 自然干燥固定法是将一定量的细胞样品滴在基底上, 然后在空气中自然干燥, 干燥后形成一层平整连续的膜. 这种固定方法非常简单, 但是由于细胞在干燥过程中会脱水, 因此对细胞形态等会有一定的影响.后来, 如何在溶液状态下固定活细胞成为许多研究者工作的重点. 有研究者利用静电相互作用或共价交联等方法来固定细胞样品[25-27]. Bolshakova小组[25]将基底表面进行聚赖氨酸修饰来固定细胞, 在生理条件下细胞一般荷负电, 而聚赖氨酸荷正电, 因此可以利用聚赖氨酸与细胞之间的静电相互作用固定细胞. 这种细胞固定方法操作简单且重复性好, 是目前为止用得最多的一种方法. 不过, 由于聚赖氨酸与细胞壁存在一定相互作用, 因而对细胞结构还是存在一定的影响.最近Lu研究小组[28]则使用琼脂糖凝胶来固定细胞, 并进行了活细胞的原子力显微镜研究. 琼脂糖凝胶层能较牢固地固定细胞, 并能提供必要的营养物质以及一个相对湿的环境. 与聚赖氨酸法相比, 这种固定方法能更好地维持细胞的原始状态, 不过操作相对要复杂一些. 还有一些研究者将细胞固定于多孔聚合物膜中, 利用聚合物膜上的微孔来固定细胞, 这种方法对细胞样品几乎没有任何损伤, 特别适合于进行细胞活体、动态过程等方面的研究[29-33].此外, 有些研究人员应用原子力显微镜比较了固定的和活的细胞成像的差别[34,35]. Ushiki 等人[35]研究了活细胞在溶液状态下的成像, 发现能够观察到细胞膜下的细胞骨架结构, 并比较了固定细胞和活细胞的原子力显微镜图像差异, 为其他研究者开展这方面的研究工作提供了一定的参考.3.2 细胞成像自从20世纪90年代初期Butt等人[18]首次将原子力显微镜应用到细胞成像方面以来, 陆续出现了很多关于细胞成像研究方面的报道. 有研究者直接用原子力显微镜来观察细胞表面的超微结构. Lister等人[19]采用自然干燥固定样品的方法对耐辐射球菌(Deinococcus radiodurans)进行了MAC模式原子力显微镜成像研究(如图2), 得到了高分辨的细菌表面形貌图, 观察到了细菌表面压缩的六边形中间层(hexagonally packed intermediate, HPI).图2 细菌HPI层的两个高分辨的原子力显微镜图像有些研究者则利用原子力显微镜对细胞的一些生化生理过程进行了研究. Dufr êne等人[29]利用原子力显微镜观察到了白腐菌(Phanerochaete chrysospo-rium)表面微结构在发芽前后的变化. 发芽前孢子表面是规则的杆状物分布, 发芽后表面上则形成了一些不规则的颗粒状分布. 他们还对活的酵母细胞进行了高分辨的表面结构成像观察, 发现除了芽区之外, 水溶液中活的酵母细胞表面是均一平滑的[30]. 而且他们还实时追踪了酶抽提过程中细胞壁结构的变化, 发现随着时间的增加细胞表面的粗糙度也随之增加. Amro等人[20]用原子力显微镜对大肠杆菌细胞外膜进行了高分辨成像, 并探讨了经生物化学处理后外膜结构及外膜渗透性的变化. Ohshiro小组[36]则利用原子力显微镜对体外神经原与肥大细胞的通讯进行了研究. 此外, 还有一些小组将原子力显微镜用于细胞移动[37]、胞吞作用[38]、胞外分泌过程的质膜动力学[39]、细胞凋亡[40]等方面的研究.另外, 随着原子力显微镜在细胞研究中的深入, 研究者们逐渐把可分析超微结构的原子力显微镜和其他分析技术结合起来, 对细胞的一些生物学过程进行了研究. 在1996年, 有研究者使用原子力显微镜成功地对核孔复合物(NPCs)进行了成像研究[41]. 后来Oberleithner小组[42-44]应用原子力显微镜和荧光显微镜等技术对NPCs结构与功能的关系进行了较全面的讨论, 他们研究了三磷酸腺苷、二价钙离子、pH值等对NPCs构型的影响, 并探讨了NPCs在调节矿物类皮质激素醛淄酮从细胞外进入细胞内的过程中的作用. 庞代文研究小组[45]则利用原子力显微镜和荧光量子点等对纳米二氧化钛薄膜光催化细胞损伤机理进行了研究. 他们使用原子力显微镜追踪了大肠杆菌细胞壁细胞膜的损伤过程(如图3), 使用量子点等作为探针检测了细胞通透性的改变. 他们认为, 当细胞在二氧化钛薄膜存在的条件下受到近紫外光照时, 细胞壁首先降解, 接着细胞膜受到损伤, 细胞的通透性随之发生变化, 细胞内物质渗漏出来, 从而引起细胞死亡. 此外, 他们还和其他研究小组一起探讨了稀土金属离子La3+对大肠杆菌的生物学影响[46]. Quist等人[47]则应用原子力显微镜、激光共聚焦免疫荧光成像等研究了间隙连接半通道的生理作用——依赖于胞外Ca2+的等渗体积调控, 他们发现非间隙连接半通道可以随着胞外Ca2+浓度的变化而调节细胞体积.图3 随着光照时间增加细胞表面结构的原子力显微镜图像(a)-(d)分别为0, 5, 10, 60 min3.3 力检测原子力显微镜还有一个重要的特点, 就是在扫描得到样品表面形貌的同时还可获得样品表面某一特定点的力与距离的曲线关系, 并根据此曲线得到黏附力、键合力等数据以及样品的机械性质[48,49]. 关于利用力与距离曲线关系进行力常数检测的报道很多. Dufrêne小组[29]在对静止和发芽孢子的表面结构和分子反应研究中发现, 力与距离的关系曲线显示孢子发芽过程中表面结构的变化与复杂的分子反应有关: 静止孢子与AFM原子力显微镜针尖之间没有黏附力, 而发芽孢子与针尖间则有很强的黏附力. 他们还结合原子力显微镜和力谱对上述孢子表面大分子拉伸情况进行了定量测定, 得到的结果与以前文献报道的单个右旋糖苷和直链淀粉多糖的弹性变形量一致[32].有些研究者还将针尖进行特殊的修饰, 进行黏附力的测定及成像研究. Ahimou 等人[50]将针尖进行了羧基修饰, 然后在纳米尺度上对酵母表面的静电性质进行了成像研究. Georgiou小组[51]则使用原子力显微镜对细菌黏附行为进行了研究, 分析了影响细菌黏附力的因素, 并通过针尖修饰发展了一种检测细菌与生物材料之间作用力的方法. Grandbois研究组[52]将针尖进行盖罩大蜗牛凝集素(HPL)的修饰并对组A和O的红血球细胞混合单层进行了黏附力成像(如图4). 他们发现HPL能特异性地与乙酰基半乳糖胺末端化的糖脂结合, 并且只有组A红血球细胞才在其外膜表达这种糖脂. Ong等人[53]则将大肠杆菌修饰到原子力显微镜针尖上, 并检测了它与不同憎水性表面的相互作用力, 发现憎水性相互作用在细胞黏附行为中起一定的作用.图4 红血球细胞混合单层的黏附力成像(a)和形貌成像(b)除了对表面形貌以及表面力进行研究以外, 原子力显微镜还能用来研究样品表面的微观机械性质[54-57]. Fang小组[55]运用原子力显微镜对细菌表面弹力性质进行了研究. Gimzewski小组[56]使用原子力显微镜对酵母细胞细胞壁的纳米机械运动进行了研究, 揭开了酵母细胞生物学的一个新的方面—细胞壁动态纳米机械行为. Touhami等[57]则利用原子力显微镜对酵母细胞表面的微观机械性质进行了研究. 原子力显微镜的形貌成像和力成像表明细胞表面的弹性有着显著的区域性差异分布, 在发芽区的黏弹力明显比别的区域要大.3.4 细胞操纵使用原子力显微镜进行细胞操纵方面的报道可以参照Ikai等人[58]的综述文章. 这里仅简单介绍一下使用原子力显微镜和全内反射荧光显微镜联用来进行单细胞的纳米操纵的方法. Ikai研究小组[14]将全内反射显微镜和原子力显微镜组装在一起, 利用原子力显微镜针尖将荧光探针注射入单个活细胞中, 再通过荧光检测系统高灵敏的对荧光探针进行定位与追踪. 通过使用这种联用技术, 将原子力显微镜的精确定位机制与荧光显微镜的高灵敏分析结合起来, 使得它将在细胞生物学研究中发挥更重要的作用.4 展望综上所述, 在短短十几年间, 原子力显微镜获得了广大研究者的青睐, 并在细胞生物学领域得到了广泛的应用, 然而, 它也存在着一些不足之处. 原子力显微镜的分辨率受到探针针尖曲率半径的制约; 针尖与样品的接触会污染针尖或对样品造成损害, 并难以进行快速连续动态分析. 为了适应细胞研究的需要, 原子力显微镜应该在如下几个方面得到发展: (1) 发展快速扫描的原子力显微镜以适应细胞生物学领域一些快速动态过程的观察; (2) 发展具有分子识别能力的原子力显微镜以区分复杂体系中形貌类似的生物分子; (3) 发展大范围扫描的原子力显微镜以适应一些细胞及组织器官等的成像研究; (4) 发展新的细胞制样技术, 简化操作并减小对细胞的损伤; (5) 发展联用技术来拓展原子力显微镜应用范围. 我们有理由相信, 随着探针技术、制样方法以及联用技术等各方面的发展, 原子力显微镜技术在生命科学领域必将发挥更重要的作用.参考文献1：白春礼, 田芳, 罗克. 扫描力显微术. 北京: 科学出版社, 2000. 7-322： Binnig G, Rohrer H, Gerber C, et al. Surface studies by scanning tunneling microscopy. Phys Rev Lett, 1982, 49: 57-61 [DOI]3： Binnig G, Quate C F, Gerber C. Atomic force microscope. Phys Rev Lett, 1986, 56: 930-936 [DOI]4：鲍幸峰, 方积年. 原子力显微镜在生物大分子结构研究中的应用进展. 分析化学, 2000, 28: 1300-13075： Zhong Q, Innis D, Kjoller K, et al. Fractured polymer/silica fiber surface studied by tapping mode atomic force microscopy. Surface Science Letters, 1993, 290: L688-L692 [DOI]6： Lindsay S M. Controlled force microscope for operation in liquids. US Patent, 5,515,719, May 14, 19967： Lindsay S M. Magnetic modulation of force sensor for AC detec-tion in an atomic force microscope. US Patent, 5,513,518, May 7, 19968： Han W, Lindsay S M, Jing T W. A magnetically driven oscillating probe microscope for operation in liquids. Applied Physics Letters, 1996, 69: 4111-4114 [DOI] 9： Manalis S R, Cooper E B, Indermuhle P F, et al. Microvolume field-effect pH sensorfor the scanning probe microscope. Applied Physics Letters, 2000, 76: 1072-1074 [DOI] 10：李晓军, 何品刚, 方禹之, 等. 电化学原子力显微镜的应用. 分析化学, 2004, 32: 395-40111： Kelley S O, Barton J K, Jackson N M, et al. Orienting DNA heli-ces on gold using applied electric fields. Langmuir, 1998, 14: 6781-6784 [DOI]12：Boussaad S, Tao N J. Electron transfer and adsorption of myoglo-bin on self-assembled surfactant films: An electrochemical tap-ping-mode AFM study. J Am Chem Soc, 1999, 121: 4510-4515 [DOI]13： Vesenlca J, Mosher C, Schaus S, et al. Combining optical and atomic force microscopy for life sciences research. Biotechniques, 1995, 19: 240-248 14： Nishida S, Funabashi Y, Ikai A. Combination of AFM with an ob-jective-type total internal reflection fluorescence microscope (TIRFM) for nanomanipulation of single cells. Ultramicroscopy, 2002, 91: 269-274 [DOI]15： Joachimsthaler I, Heiderhof R, Balk I J. A universal scan-ning-probe-microscope based hybrid system. Meas Sci Technol, 2003, 14(1): 87-96 [DOI]16： Schneider S W, Egan M E, Jena B P, et al. Continuous detection of extracellular ATP on living cells by using atomic force microscopy. Proc Natl Acad Sci USA, 1999, 96: 12180-12185 [DOI]17： Stroh C, Wang H, Bash R, et al. Single-molecule recognition im-aging microscopy. Proc Natl Acad Sci USA, 2004, 101: 12503 - 12507 [DOI]18： Butt H-J, Wolff E K, Gould S A C, et al. Imaging cells with atomic force microscope. J Struct Biol, 1990, 105: 54-61 [DOI]19： Lister T E, Pinhero P J. In vivo atomic force microscopy of sur-face proteins on Deinococcus radiodurans. Langmuir, 2001, 17: 2624-262820： Amro N A, Kotra L P, Wadu-Mesthrige K, et al. High-resolution atomic force microscopy studies of the Escherichia coli outer membrane: Structural basis for permeability. Langmuir, 2000, 16: 2789-2796 [DOI]21： Mendez-Vilas A, Gallardo A M, Perez-Giraldo C, et al. Surface morphological characterization of yeast cells by scanning force microscopy. Surf Interface Anal, 2001, 31: 1027-1030 [DOI]22： Tollersrud T, Berge T, Andersen S R, et al. Imaging the surface of Staphylococcus aureus by atomic force microscopy. APMIS, 2001, 109: 541-545 [DOI] 23： Gad M, Awai K, Shimojima M, et al. Accumulation of plant ga-lactolipid affects cell morphology of Escherichia coli. Biochem Biophys Res Commun, 2001, 286: 114-118 [DOI]24： Norman R S, Frontera-Suau R, Morris P J. Variability in Pseudo-monas aeruginosa lipopolysaccharide expression during crude oil degradation. Appl Environ Microbiol, 2002, 68: 5096-5103 [DOI]25： Bolshakova A V, Kiselyova O L, Filonov A S, et al. Comparative studies of bacteria with an atomic force microscopy operating in different modes. Ultramicroscopy, 2001, 86: 121-128 [DOI]26： Crawford S A, Higgins M J, Mulvaney P, et al. Nanostructure of the diatom frustule as revealed by atomic force and scanning elec-tron microscopy. J Phycol, 2001, 37: 543-554 [DOI]27： Camesano T A, Natan M J, Logan B E. Observation of changes in bacterial cell morphology using tapping mode atomic force mi-croscopy. Langmuir, 2000, 16: 4563-4572 [DOI]28：Micic M, Hu D, Suh Y D, et al. Correlated atomic force micros-copy and fluorescence lifetime imaging of live bacterial cells. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2004, 34: 205-212 [DOI]29： Dufrêne Y F, Bodnaert C J P, Gerin P A, et al. Direct probing of the surface ultrastructure and molecular interactions of dormant and germinating spores of Phanerochaete chrysosporium. J Bacte-riol, 1999, 181: 5350-535430： Ahimou F, Touhami A, Dufrêne Y F. Real-time imaging of the surface topography of living yeast cells by atomic force micros-copy. Yeast, 2003, 20: 25-30 [DOI] 31： Kasas S, Ikai A. A method for anchoring round shaped cells for atomic force microscope imaging. Biophys J, 1995, 68: 1678- 168032：van der Aa B C, Michel R M, Asther M, et al. Stretching cell sur-face macromolecules by atomic force microscopy. Langmuir, 2001, 17: 3116-3119 [DOI] 33： van der Aa B C, Asther M, Dufrêne Y F. Surface properties of Aspergillus oryzae spores investigated by atomic force micros-copy. Colloids Surf B Biointerfaces, 2002, 24: 277-284 [DOI]34： Braet F, Rotsch C, Wisse E, et al. Comparison of fixed and living liver endothelial cells by atomic force microscopy. Appl Phys A, 1998, 66: S575-S578 [DOI] 35： T Ushiki, S Yamatoto, J Hitomi, et al. Atomic force microscopy of living cells. Jpn J Appl Phys, 2000, 39: 3761-3764 [DOI]36： Ohshiro H, Suzuki R, Furuno T, et al. Atomic force microscopy to study direct neurite-mast cell (RBL) communication in vitro. Im-munology Letters, 2000, 74: 211-214 [DOI]37： Schneider S W, Pagel P, Rotsch C, et al. Volume dynamics in mi-grating epithelial cells measured with atomic force microscopy. Pflügers Arch-Eur J Physiol, 2000, 439: 297-303 [DOI]38： Noguchi C K A, Furuno T, Nakanishi M. Atomic force microscopy for studying gene transfection mediated by cationic liposomes with a cationic cholesterol derivative. FEBS Letters, 1998, 421: 69-72 [DOI]39： Schneider S W, Sritharan K C, Geibel J P, et al. Surface dynamics in living acinar cells imaged by atomic force microscopy: identi-fication of plasma membrane structures involved in exocytosis. Proc Natl Acad Sci USA, 1997, 94: 316-321 [DOI] 40： Girasole M, Cricenti A, Generosi R, et al. Atomic force micros-copy detects transient frictional contrasts in apoptotic cells in-duced by deprivation of interleukin-3. Applied Physics Letters, 2001, 78: 1143-1145 [DOI] 41： Terzic C P, Pyle J, Jaxoni M, et al. Conformational states of the nulear pore complex induced by depletion of nulear Ca2+ stores. Science, 1996, 273: 1875-1877 42： Oanker T, Oberleithner H. Nuclear pore function viewed with atomic force microscopy. Pflügers Arch-Eur J Physiol, 2000, 439: 671-68143： Oberleithner H. Aldosterone and nuclear signaling in kidney. Ster-oids, 1999, 64: 42-50 [DOI]44： Schafer C, Shahin V, Albermann L, et al. Aldosterone signaling pathway across the nuclear envelope. Proc Natl Acad Sci USA, 2002, 99: 7154-7159 [DOI] 45： Lu Z X, Zhou L, Zhang Z L, et al. Cell damage induced by photo-catalysis of TiO2 thin films. Langmuir, 2003, 19: 8765- 8768 [DOI]46： Liu P, Liu Y, Lu Z X, et al. Study on biological effect of La3+ on Escherichia coli by atomic force microscopy. J Inorg Biochem, 2004, 98: 68-72 [DOI] 47： Quist A P, Rhee S K, Lin H, et al. Physiological role of gap-junc- tionalhemichannels: Extracellular calcium-dependent isosmotic volume regulation. J Cell Biol, 2000, 148: 1063-1074 [DOI]48： Green N H, Allen S, Davies M C, et al. Force sensing and map-ping by atomic force microscopy. TRAC-trends in analytical chemistry, 2002, 21(1): 64-73 49： Takano H, Kenseth J R, Wong S-S, et al. Chemical and biochemi-cal analysis using scanning force microscopy. Chem Rev, 1999, 99: 2845-2890 [DOI]50： Ahimou F, Denis F A, Touhami A, et al. Probing microbial cell surface charges by atomic force microscopy. Langmuir, 2002, 18: 9937-9941 [DOI]51： Razatos A, Ong Y L, Sharma M M, et al. Molecular determinants of bacterial adhesion monitored by atomic force microscopy. Proc Natl Acad Sci USA, 1998, 95:11059-11064 [DOI]52： Grandbois M, Dettmann W, Benoit M, et al. Affinity imaging of red blood cells using an atomic force microscope. J Histochem Cytochem, 2000, 48: 719-724 53： Ong Y-L, Razatos A, Georgiou G, et al. Adhesion forces between E. coli bacteria and biomaterial surfaces. Langmuir, 1999, 15: 2719- 2725 [DOI]54： Rotsch C, Jacobson K, Radmacher M. Dimensional and mechani-cal dynamics of active and stable edges in motile fibroblasts in-vestigated by using atomic force microscopy. Proc Natl Acad Sci USA, 1999, 96: 921-926 [DOI]55： Fang H H P, Chan K-Y, Xu L-C. Quantification of bacterial adhe-sion forces using atomic force microscopy (AFM). J Microbiol Meth, 2000, 40: 89-97 [DOI] 56： Pelling A E, Sehati S, Gralla E B, et al. Local nanomechanical motion of the cell wall of Saccharomyces cerevisiae. Science, 2004, 305: 1147-1150 [DOI] 57： Touhami A, Nysten B, Dufrêne Y F. Nanoscale mapping of the elasticity of microbial cells by atomic force microscopy. Langmuir, 2003, 19: 4539-4543 [DOI] 58： Ikai A, Afrin R. Toward mechanical manipulations of cell mem-branes and membrane proteins using an atomic force microscope—An invited review. Cell Biochemistry and Biophysics, 2003, 39: 257-277 [DOI]。

原子力显微镜在生命科学中的应用

原子力显微镜在生命科学中的应用生命科学是研究生命体系的一门学科，它研究的是细胞、分子、基因、人体器官等生物体的基本结构和功能。

对于生命科学研究，探究微观结构对于了解生命过程有着至关重要的意义，而原子力显微镜是近年来在生命科学中应用较为广泛的重要工具。

原子力显微镜（AFM）是一种非常重要的高分辨率显微技术，它可以探寻尺度范围从分子到大分子的材料表面形貌、物理、化学、生物性能等信息，其中，在生命科学中，利用AFM技术可以获得准确的分子间力、功能、几何、构象等信息，并且对于研究重要细胞、分子和生物体成分有着重要的应用，越来越多的研究者利用原子力显微镜进行富有成果的生命科学研究。

一、AFM技术在生物分子结构研究中的应用AFM技术能够用极高的分辨率对生物分子进行成像，得到分子的形态和几何结构信息。

其中，通过AFM技术对DNA结构的研究，能够直接观测到缠绕、结构，以及分子间的相互作用，从而更准确地了解DNA的三维结构对于其生理过程的影响。

同时，通过AFM技术对于蛋白质分子结构的研究，可以获得准确的蛋白质分子间的相互作用、键合、立体结构等信息，这有助于更准确地揭示蛋白质的生理功能及生理作用。

二、AFM技术在生物成分光谱研究中的应用AFM技术可以利用光谱法获得某些生物体内成分的分布、结构以及化学性质等信息。

例如，可通过岩藻银絮草pH敏感染色体的AFM光谱研究，获得关于PH的结构、构象等信息，并且与pH响应的电化学检测方法相比，其精确度更好，时间和空间分辨率也更高。

在细胞壁结构分析中，AFM技术可以获得细胞壁的表面特征，如纤维密度，和表面分子结合物质等信息，从而使研究人员更准确地了解细胞壁的结构和作用机制。

三、AFM技术在细胞生物学研究中的应用AFM技术还可以对细胞形态进行研究，其通过研究细胞结构以及细胞表面的形态学特征，可以了解细胞的繁殖、毒性作用以及代谢功能等生理信息，例如应用于嗜酸菌细胞的AFM研究，可以了解此种细菌细胞的结构与代谢特征。

原子力显微镜技术在生物学研究中的应用

原子力显微镜技术在生物学研究中的应用生物学研究一直以来都是科学界的一个热点领域，科学家们一直在探索各种技术和工具来理解生物体内的微观世界。

在这个过程中，原子力显微镜技术作为一种新型的高分辨率显微镜技术，为生物学的研究提供了独特的优势。

本文将介绍原子力显微镜技术在生物学研究中的应用，并深入探讨其原理和优势。

首先，我们需要了解原子力显微镜技术的原理。

原子力显微镜（AFM）是一种基于探针-样本相互作用力测量的显微镜技术。

它通过在样本表面扫描探针来获取样本表面的拓扑信息，并能够在原子水平上获得样本的表面形貌。

AFM的探测原理是，探针位于样本表面时，样本表面与探针之间的相互作用力会引起探针的弯曲或振动。

通过测量这些相互作用力的变化，可以揭示出样本表面的形貌特征。

在生物学研究中，原子力显微镜技术具有许多重要的应用。

首先，AFM可以用于观察生物体的超细结构。

由于AFM的高分辨率特性，它可以揭示出生物体内部的微观结构，例如细胞壁、细胞膜和细胞器等结构的形貌和组织。

通过AFM可以观察到生物体内部结构的微观细节，为生物学研究提供了更多的信息。

其次，原子力显微镜技术可以用于研究生物样本的力学性质。

在生物学研究中，了解细胞和生物体的力学性质对于理解细胞功能和疾病的发生机制非常重要。

AFM可以通过测量力-距离曲线来获得样本的力学性质，包括细胞的弹性模量、细胞壁的硬度以及细胞膜的柔韧性等。

这些力学性质的测量对于理解细胞的功能和生物体的生理状态具有重要意义。

此外，原子力显微镜技术还可以用于研究生物分子的相互作用。

在生物学研究中，了解生物分子之间的相互作用对于理解细胞过程和生物学功能至关重要。

AFM可以通过探测生物分子之间的相互作用力来研究它们的结构和功能。

例如，AFM可以用于研究蛋白质的折叠过程、蛋白质与DNA或RNA之间的结合等。

通过探测生物分子之间的相互作用，我们可以深入了解细胞内分子的功能和相互关系。

最后，原子力显微镜技术还可以在生物医学领域中发挥重要作用。

原子力显微镜的工作原理和应用

原子力显微镜的工作原理和应用原子力显微镜被广泛应用于材料科学和纳米技术领域，可以帮助人们观察和研究几乎任何表面的形状和特性。

本文将介绍原子力显微镜的工作原理以及其在生物学和材料科学领域的应用。

一、原子力显微镜的工作原理原子力显微镜是一种扫描探针显微镜，它利用一根尖端非常尖锐的针通过控制力的作用来扫描样品表面。

与其他扫描探针显微镜不同的是，原子力显微镜扫描的距离只有几纳米至十纳米这么长，因此可以产生高度的细节及形状。

在原子力显微镜中，扫描针与样品表面之间设置有一个极其细微的探针尖端和样品表面上的原子表面，当二者相互接触时，扫描针会受到其中的原子引力或斥力的影响，这种影响被测量并转换为图像的亮度和颜色。

二、原子力显微镜在材料科学中的应用原子力显微镜在材料科学中的应用广泛，可以帮助科学家更好地了解材料的结构和特性，进而设计出更好的材料。

1.材料表面形貌观察原子力显微镜可以观察到几乎所有物质的表面形貌，而不需要特殊准备样品过程。

这对于研究材料表面的形貌和结构非常重要，可以提供关于材料性质、制备方法等的重要信息。

2.纳米材料研究纳米材料在材料科学中具有重要的地位，因为它们具有独特的物理和化学性质。

用原子力显微镜可以观察和研究纳米颗粒、纳米线、纳米棒等纳米材料，能够得出纳米结构的大小、形状和分布等的相关参数。

三、原子力显微镜在生物学中的应用除了在材料科学中的应用，原子力显微镜还被广泛应用于生物学领域，因为它可以观察活细胞以及细胞内的分子。

1.大分子结构解析原子力显微镜可以在几乎液态气十亿个分子级别上进行研究，这使得研究生物分子等复杂大分子的结构成为可能，并且能够帮助人们理解这些大分子的功能。

2.生物分子相互作用研究通过在纳米级别上观察蛋白质、DNA或RNA及其他生物大分子表面的相互作用，原子力显微镜可以揭示这些分子是如何相互作用和合作的。

总之，原子力显微镜是一个强大的工具，可以帮助科学家更好地了解材料和生物体系的结构和功能，为人们开发新材料和药物提供了有力的支持。

原子力显微镜在生物学中的应用优势

原子力显微镜在生物学中的应用优势概述原子力显微镜是一种高分辨率显微镜，其原理是利用极微小力量来感应样品表面的形态和性质变化，并反馈到显微镜的探测器上。

其分辨率可达到亚纳米级别，因此被广泛应用在生物学研究中。

本文将介绍原子力显微镜在生物学中的应用优势和相关案例。

应用优势1. 无需预处理相比于传统显微镜的样品制备，原子力显微镜不需要任何预处理步骤，样品可以直接放置在显微镜上进行观察。

这样有效保留了样品的真实形态和结构特征，对于一些易变性和易破坏的生物样品，使用原子力显微镜将十分有利。

2. 非接触测量原子力显微镜属于非接触测量仪器，其观测原理是通过在样品表面扫描探针来感应表面高度的变化。

由于不接触样品，因此不会对样品造成额外的损害和干扰。

同时，与传统显微镜的接触观测相比，原子力显微镜会更加精准和准确。

3. 可观察性强因为其高分辨率，原子力显微镜能够观察到极小的结构和性质变化。

对于一些小细胞和分子级别的结构，传统显微镜往往无法捕捉到其形态特征，而原子力显微镜正好可以弥补这一缺陷。

应用案例1. 生物分子互作研究生物大分子如蛋白质、核酸等经常涉及高级结构形成和特异性互作。

这些互作过程对于生命体系具有重要作用，因此对其深入研究成为生物学领域的热门方向。

利用原子力显微镜可以直接在样品中观察到蛋白质、核酸等分子的特异性结构和相互作用。

例如，科学家使用原子力显微镜在蛋白质的结构及其与其他生物分子的相互作用方面开展了大量实验。

2. 单细胞探究传统显微镜在可见光区作为一把有力的工具，能够对个细胞、细胞质和细胞核等结构进行观察。

但对于细胞表面及其细胞膜、细胞外基质等结构需要借助电子显微镜等高分辨率显微镜进行观察。

而原子力显微镜的高分辨率可以满足这一需求，已经被用于单个细胞的超高分辨率成像和细胞表面性质探究。

例如，科学家利用原子力显微镜，成功地观察到了人类乳腺上皮细胞的表面形态和力学特性，进一步了解了细胞形态与生理功能关系。

原子力显微镜(AFM)及其在生物学中的应用

原子力显微镜(AFM)及其在生物学中的应用单分子与纳米生物医学实验室王冲学号：102038281982年，G. Binning等人发明了扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM），并因此获得了1986年的诺贝尔物理奖，但是，由于STM工作时监测的是针尖和样品之间隧道电流的变化，因此它只能直接观察导体和半导体的表面结构，这使STM在应用上就有很大的局限性。

为此，Binning等人1986年在STM的基础上发明了原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)，AFM不仅具有很高的分辨率（横向分辨率达到1nm，纵向分辨率达到0.01nm），而且对工作环境、样品性质等方面的要求也非常低，因此，AFM的出现为人们更多的观察微观世界提供了一个有效的手段和方法。

1. AFM的工作原理在AFM上有一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂(Cantilever)上的极细探针(Probe)，当针尖非常接近样品表面时,就在针尖—样品之间产生极微弱的作用力(吸引或排斥力)，引起微悬臂偏转。

根据物理学原理，施加到微悬臂末端力的表达式为F = KΔZ式中, ΔZ表示针尖相对于试样间的距离，K为微悬臂的弹性系数。

力的变化均可以通过微悬臂被检测。

根据力的检测方法，AFM可以分成两类：一类是检测探针的位移；另一类是检测探针的角度变化[1]。

由于后者在Z方向上的位移是通过驱动探针来自动跟踪样品表面形状，因此受到样品的重量及形状大小的限制比前者小。

图1 追踪针尖运动的原理在扫描时控制这种针尖—样品之间的作用力恒定，带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面，在垂直于样品表面方向上起伏运动，通过光电测系统(通常利用光学、电容或隧道电流方法) 对微悬臂的偏转进行扫描（图1），测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。

2. AFM的工作模式目前AFM有三种工作模式，接触模式(Contact Mode)、轻敲模式(Tapping Mode)和非接触模式(Non-contact Mode)。

原子力显微镜在生物医学中的应用

原子力显微镜在生物医学中的应用概述原子力显微镜 (Atomic Force Microscope, AFM) 是一种使用探针在纳米尺度下对物质进行表面形貌、物理力学特性的研究。

它通过探针将物质表面的微小位移转化成机械位移，并传递到探针尖端所结合的光学探测器以检测物体表面特性。

AFM通过扫描物质表面来生成三维的表面形貌图像，提供了高分辨率、高灵敏度、非破坏性的观察手段。

由于AFM在生物医学领域的广泛应用，使得它成为生命科学领域中的一个重要工具。

由于AFM的高分辨率和非破坏性特性，因此被广泛应用于生物学的研究中进行细胞成像、生物分子结构和动态性质的研究，以及生物分子的质量测量和成像。

细胞成像AFM可以用来对细胞结构和表面形态进行高分辨率成像。

通过将细胞放在AFM的扫描区域内，AFM可以扫描细胞表面，检测到其表面形态。

通过采用力-距离曲线，可以测量细胞表面的机械参数。

这些机械参数包括弹性模量、刚度、阻尼等，这些参数可以提示细胞表面和内部的物理结构。

通过对这些参数的测量，可以识别各种疾病标志物，并对细胞微环境进行有效分析。

使用AFM成像还可以对细胞内部结构进行高分辨率成像。

例如，可以通过使用坑减弱作用，在细胞膜内部显示出细胞骨架、内部蛋白质的径迹。

AFM还可以在分子水平上对细胞表面和内部结构进行成像。

通过非接触式技术可以实现对单个生物大分子的成像（例如DNA、蛋白质、酶等）。

生物分子结构的研究AFM在生物分子结构的研究方面也扮演着重要角色。

AFM可以利用扫描距离和扫描力的变化监测到分子的形态和各种生物分子之间的相互作用。

例如，使用AFM可以在生物分子表面检测到生物分子间的相互作用，如蛋白质和蛋白质之间、蛋白质和核酸之间的相互作用。

利用AFM可以在分子水平上研究纳米粒子的粘附行为，进而为开发纳米材料提供参考意见。

AFM的独特功能之一是可以在不同的模式下工作，以检测不同生物分子的区域。

通过使用电力显微镜技术，AFM可以检测到DNA双链分子水平上的碱基。

原子力显微镜技术在生物领域中的应用

原子力显微镜技术在生物领域中的应用在科技的不断发展中，各种新型微观技术不断被应用于生物领域中。

其中，原子力显微镜技术（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种利用纳米级探针进行表面扫描以获取材料表面形貌和力学特性的高分辨率扫描显微镜技术。

近年来，原子力显微镜技术在生物领域中的应用越来越广泛，它在生物分子、细胞结构及功能等方面的研究中发挥着重要作用。

本文将从几个方面进行讨论。

一、分子级别的研究原子力显微镜技术的分辨率非常高，在亚纳米尺度下可以探测到生物大分子的形、态、高、低等表面形貌特征。

通过原子力显微镜技术，生物大分子的三维结构、构象等可以被直接观察到，这种高分辨率的成像能力，极大程度地促进了生物分子的结构研究，成为生物化学、生物物理学研究的强有力工具。

有学者使用原子力显微镜技术研究了发育素蛋白在生物膜上的空间位置关系，并在相关领域做出了巨大贡献。

二、生物网络的成像原子力显微镜技术可以用来直接观察动态生物网络的形状信息。

通过直接拍摄细胞膜或骨架的形态信息，可以对动态网络进行实时的构象分析，并且在研究细胞行为的过程中，它可以准确地确定各种药物的作用机理。

这种技术常常被用于研究生物分子和细胞的运动和互动，比如研究肌肉中肌原纤维的运动过程，以及单个分子对识别和抑制反应的影响。

三、生物纳米力的测量在生物学领域中，力学性质正在成为重要的研究方向。

在生物分子和细胞组织的研究中，原子力显微镜技术可以通过测量纳米级别的力量变化，帮助研究人员了解生物纳米强度的存储优势。

通过对细胞之间的相互作用力的测量，可以对疾病抵抗力和治疗方案的效果等做出更详细的判断。

同时，测量这些纳米级别的力量变化还可以用于研究生物材料在动态弯曲和扭曲方面的特征。

综上所述，原子力显微镜技术在生物领域中的应用相当广泛。

它可以看到生物分子、细胞结构及功能等方面的研究。

它通过准确测量手段，解决了研究过程中的实验难题，这种技术不仅可以优化分子结构分析，也可以拓宽生物力学研究的领域。

原子力显微镜及其在生物学研究中的应用

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(scanning probe microscope，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。