原子力顯微鏡在生物醫(yī)學應用中的現(xiàn)狀分析

1、108原子力顯微鏡在生物醫(yī)學中原子力顯微鏡在生物醫(yī)學中應用的現(xiàn)狀分析應用的現(xiàn)狀分析項目完成單位：國家生物醫(yī)學分析中心，毒物藥物研究所★項目完成人：張德添張颯張英鴿★楊怡周濤何昆摘要原子力顯微鏡（AFM）是近十幾年來表面成像技術(shù)中最重要的進展之一。它具有非常高的分辨率。本文將討論原子力顯微鏡的工作原理、原子力顯微鏡在生物醫(yī)學應用中的現(xiàn)狀，包括生物醫(yī)學樣品的表面形貌觀測，在液體中的觀測，生物分子之間力譜曲線的觀測以及生物醫(yī)學樣品制備技術(shù)等進

2、行初步的分析和討論。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞原子力顯微鏡、分辨率、生物分子原子力顯微鏡（AtomicFceMicroscopy，簡稱AFM）[1]是近十幾年來表面成像技術(shù)中最重要的進展之一。與傳統(tǒng)的掃描電子顯微鏡相比，它具有非常高的橫向分辨率和縱向分辨率。正常情況下，橫向分辨率可達到0.1～0.2納米，縱向分辨率高達0.01納米。這是掃描電子顯微鏡很難達到的。同時，AFM能夠在生理狀態(tài)下（如在液體中）成像，而且還可以在分子水平上進行力譜曲線的檢測，

3、研究其結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系。這在生物醫(yī)學研究中具有重要的意義[2]。當然，原子力顯微鏡在生物醫(yī)學應用中，也存在一定的局限性和困難。一、原子力一、原子力顯微鏡工作原理介工作原理介紹原子力顯微鏡工作原理是利用激光束偏轉(zhuǎn)法，將針尖制作在一個對微弱力極敏感的V字形的微懸臂上，微懸臂的另—端固定住，使針尖趨近樣品表面并與表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子之間存在著微弱的排斥力，當針尖進行掃描時，可通過反饋系統(tǒng)控制壓電陶瓷管伸縮來保持原子間的

4、作用力恒定，帶有針尖的微懸臂將隨著樣品表面的起伏而顫動，利用光學檢測方法得到樣品表面形貌的信息。AFM具有很寬的工作范圍。可以在諸如真空、大氣、低溫以及各種液體環(huán)境中使用，從而可使研究者選擇適當?shù)沫h(huán)境進行研究。AFM觀測的生物醫(yī)學樣品可以從單個分子到整個細胞。AFM有兩種工作模式：恒高模式（保持樣品和探針間的距離不變，測量每一點作用力的大?。┖秃懔δＪ剑ū３謽悠泛吞结橀g作用力不變，測量每一點高度的變化）。這兩種模式都可以得110適用的方

5、法，能夠解決原子力顯微鏡所有的生物醫(yī)學樣品的制備問題。因此，一般情況下，都需要科研人員必須自己動手來制備符合AFM的技術(shù)要求的樣品，才能獲得滿意的AFM觀察效果。如游離細胞樣品制備過程大致步驟如下：首先提取細胞；然后2.5%戊二醛固定；制備新鮮的云母表面；云母表面：用雙面膠固定于基底表面；將固定細胞滴加于云母表面；氮氣吹干并展平；用接觸式或輕敲式進行細胞的表面形態(tài)觀測。又如活的培養(yǎng)細胞樣品制備過程大致步驟如下：事先必須將培養(yǎng)皿或蓋玻片用

6、多聚賴氨酸進行處理；然后將細胞培養(yǎng)于培養(yǎng)皿或蓋玻片上，迅速將培養(yǎng)皿或蓋玻片制成小于11cm左右的小片；將指甲油滴加于AFM液體池底部；將小片的無細胞面沾到指甲油上；將培養(yǎng)液滴加到小片的有細胞面上；待指甲油干后，充入培養(yǎng)液于液體池中；將液體池置于AFM的掃描器上，即可進行細胞表面形態(tài)的成像觀測。如O’Reilly[5]等，利用AFM對一定數(shù)量的血紅細胞表面形態(tài)及三維結(jié)構(gòu)進行觀測，并進行圖象分析。從而得出細胞的厚度、寬度、表面積以及體積等的

7、量化參數(shù)等。對于活細胞，也可以在AFM的液體池中進行動態(tài)的觀察。通過液體池的進液孔可隨時注入不同的化合物溶液，改變活細胞的液體環(huán)境（如離子濃度、pH值、溫度、濕度等），進行動態(tài)的觀測。Jena[6]等，利用AFM對感染病毒后細胞表面形態(tài)的改變、造骨細胞在加入底物（鈷鉻、鈦、鈦釩等）后細胞形態(tài)和細胞彈性的變化、GTP對胰腺外分泌細胞囊泡高度的影響進行研究。黃益民[7]等，利用原子力顯微鏡對自由基損傷的紅細胞膜表面精細結(jié)構(gòu)的研究，直接觀察到

8、自由基損傷，以及加女貞子保護作用后，對紅細胞膜分子形貌學的影響。如果是一些組織生物醫(yī)學樣品要進行AFM的表面形態(tài)的成像觀測，樣品制備過程大致步驟如下：選取組織表面較為平整的部位剪成0.50.5cm小塊觀測面朝上展平后貼在蓋玻片上；滴加固定液于樣品表面上靜置30分鐘左右；最好用三蒸水沖洗去固定液中的溶質(zhì)所形成的結(jié)晶；將蓋玻片置于AFM的掃描器上，進行成像觀測。一般來說，組織生物醫(yī)學樣品進行AFM的表面形態(tài)的成像效果還比較滿意。AFM觀察細