原子力顯微鏡的在生物領(lǐng)域的應(yīng)用

在AFM誕生zui初的一段時間，主要應(yīng)用于電化學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域。近些年，人們逐漸探索著運用AFM對生物樣品進(jìn)行納米水平的觀測及顯微操作等。與其它顯微鏡相比，AFM的納米量級的高空間分辨率尤為突出，橫向分辨率可達(dá)0.1～0.2nm，縱向分辨率高達(dá)0.01nm。此外，它不但能夠?qū)ι頎顟B(tài)下的樣品成像，而且可以實時動態(tài)地研究樣品結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系。故而，AFM成為納米尺度上研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、特性和相互作用的有力手段。以下主要對這項納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域中取得了顯著的成績作一綜述。

　　1. 形態(tài)結(jié)構(gòu)

　　作為新興的形態(tài)結(jié)構(gòu)成像技術(shù)，AFM實現(xiàn)了對接近自然生理條件下生物樣品的觀察。這主要由于它具備以下幾個特點:

　　1).與掃描電鏡和透射電鏡這些高分辨的觀測技術(shù)相比，樣品制備過程簡便，可以不需染色、包埋、電鍍、電子束的照射等處理過程;

　　2).除對大氣中干燥固定后樣品的觀察外，還能對液體中樣品成像;

　　3).可以根據(jù)觀察者的要求，調(diào)節(jié)樣品所處的溫度、濕度、大氣、真空等觀察條件。目前，AFM已廣泛地應(yīng)用于細(xì)胞及蛋白、多糖、核酸等生物大分子結(jié)構(gòu)的研究中。對一個細(xì)胞而言，AFM不但能夠提供長度、寬度、高度等形態(tài)方面的信息，還可以滿足人們對膜上的離子通道、絲狀偽足、細(xì)胞間連接等細(xì)微結(jié)構(gòu)的研究，甚至還可清楚地觀察到膜身的骨架結(jié)構(gòu)。后者對細(xì)胞表面與表面下結(jié)構(gòu)相互作用的進(jìn)一步研究非常有利。

　　2. 力學(xué)特性

　　由于利用AFM可對掃描各點高度及作用力的測量，這就意味著我們不僅可以獲取生物樣品的表面形態(tài)和三維結(jié)構(gòu)，還可以得到其表面硬度、粘彈性、摩擦力等力學(xué)特性的表面圖譜

　　3. 分子間力

　　將很高的空間分辨率與敏感且準(zhǔn)確的力學(xué)感應(yīng)性相結(jié)合，是AFM的一個極為顯著的特點。通過將探針連接在彈性系數(shù)很小的懸臂上，AFM對力的測量敏感性可達(dá)到pn水平。到目前為止，AFM已經(jīng)廣泛地運用于測量溶液中生物分子間相互作用如與生物反應(yīng)有關(guān)的水合力的研究。利用這些研究結(jié)果還有助于對生物分子結(jié)構(gòu)和機械性能進(jìn)行分析。例如，蛋白質(zhì)依靠多種非共價作用而保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，通過機械或化學(xué)的方法將蛋白伸展后，可以利用AFM直接測量穩(wěn)定蛋白結(jié)構(gòu)的作用力，并進(jìn)一步探究這些力對蛋白結(jié)構(gòu)的影響。近幾年AFM對肌蛋白titin的去折疊研究取得的顯著成果即有力地說明了這一點。另外，AFM還能夠測量單個分子間微弱的非共價力。例如測量受體-配體的去結(jié)合力，若受體固定在基底表面的話，則將與之對應(yīng)的配體固定于探針表面，使探針功能化。隨探針-樣品的距離逐漸縮小，懸臂受探體-樣品間吸引或排斥力的作用向接近或遠(yuǎn)離樣品的方向偏折，懸臂偏折的zui大幅度反映分離緊密結(jié)合兩分子所需的力。在測量中，有可能會受到探針與表面的非特異性相互作用的干擾。因此，有必要認(rèn)真地選擇對照實驗包括使用未功能化探針;或基底所處的溶液中利用游離的配體封閉受體;調(diào)節(jié)溶液的離子強度或pH，降低靜電力的干預(yù)。除此之外，探針還有可能受溶液粘性牽拉力作用，使撤離速率減慢至記錄數(shù)據(jù)低于實際的作用力。

　　4. 顯微操作

　　通過在納米級水平調(diào)控探針的位置和施加力，AFM可以實現(xiàn)對生物分子進(jìn)行物理操作如切割生物結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)移分子至特定位置。在一定的范圍調(diào)整施加力，AFM在成像的同時即可對樣品進(jìn)行操作。施加力的范圍主要由懸臂的力學(xué)常數(shù)和探針粗細(xì)決定。與標(biāo)準(zhǔn)顯維切割技術(shù)相比，AFM對目標(biāo)區(qū)域切割、提取等操作具有更準(zhǔn)確的特點。

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