探析原子力显微镜在生物医学应用情况

作者：张馨予

AFM的高分辨成像和简便的样品制备过程吸引了众多学者利用它对染色体结构进行研究。但早期由于镶嵌于30nm蛋白质层的RNA吸附在染色体的表面

　　AFM的高分辨成像和简便的样品制备过程吸引了众多学者利用它对染色体结构进行研究。但早期由于镶嵌于30nm蛋白质层的RNA吸附在染色体的表面 [19] ，同时盐、细胞残渣等随同染色体滴片时吸附于玻片上 [20] ，妨碍染色体表面更细微的结构成像。

　　关键词：原子力

　　1 原子力显微镜工作原理

　　原子力显微镜(Atomic force microscopy，AFM)是一种以物理学原理为基础，通过扫描探针与样品表面原子相互作用而成像的新型表面分析仪器。它属于继光学显微镜、电子显微镜之后的第三代显微镜。AFM通常利用一个很尖的探针对样品扫描，探针固定在对探针与样品表面作用力极敏感的微悬臂上。悬臂受力偏折会引起由激光源发出的激光束经悬臂反射后发生位移。检测器接受反射光，最后接受信号经过计算机系统采集、处理、形成样品表面形貌图像。早期研制的为接触式原子力显微镜，它包括恒力模式和恒高模式。前者利用反射光位移引起的光电二极管输出电压的变化构成反馈回路控制压电陶瓷管伸缩，从而调节固定于扫描器上样品的位置，保持样品和探针间作用力(悬臂弯曲度)不变，测量每一点高度的变化。后者保持样品和探针间的距离不变，测量每一点作用力的大小。这种模式在调节探针与样品距离前即可直接观测悬臂弯曲度的改变。除传统的接触式之外，1993年又研制出轻敲式原子力显微镜。该显微镜在扫描过程中探针与样品表面轻轻接触，悬臂受存在于两者间的排斥力作用随样品表面起伏发生高频振颤。由于探针与样品的接触短暂，因此它更适用于质地脆或固定不牢的样品 [1] 。

　　2 原子力显微镜的应用

　　在AFM诞生最初的一段时间主要应用于电化学、材料科学等领域。近些年，人们逐渐探索着运用AFM对生物样品进行纳米水平的观测及显微操作等。与其它显微镜相比，AFM的纳米量级的高空间分辨率尤为突出，横向分辨率可达0.1～0.2nm，纵向分辨率高达0.01nm。此外，它不但能够对生理状态下的样品成像，而且可以实时动态地研究样品结构和功能的关系。故而，AFM成为纳米尺度上研究物质结构、特性和相互作用的有力手段。以下主要对这项纳米技术在生物医学研究领域中取得了显著的成绩作一综述。

　　2.1 形态结构作为新兴的形态结构成像技术，AFM实现了对接近自然生理条件下生物样品的观察。这主要由于它具备以下几个特点:(1)与扫描电镜和透射电镜这些高分辨的观测技术相比，样品制备过程简便，可以不需染色、包埋、电镀、电子束的照射等处理过程;(2)除对大气中干燥固定后样品的观察外，还能对液体中样品成像;(3)可以根据观察者的要求，调节样品所处的温度、湿度、大气、真空等观察条件。目前，AFM已广泛地应用于细胞及蛋白、多糖、核酸等生物大分子结构的研究中。对一个细胞而言，AFM不但能够提供长度、宽度、高度等形态方面的信息，还可以满足人们对膜上的离子通道、丝状伪足、细胞间连接等细微结构的研究 [2，3] ，甚至还可清楚地观察到膜身的骨架结构 [4] 。后者对细胞表面与表面下结构相互作用的进一步研究非常有利。Qian [5] 等利用AFM对酵母的热休克蛋白Sis1与Ssa1进行观察，发现只有Ssa1的lid区一端与Sis1缩氨酸结合区作用，并且Sis1二聚体的缩氨酸结合区呈现较高水平的凹槽结构，这有助于阐明蛋白相互作用机制及其在蛋白折叠、组装、降解、转移中的重要作用。定的生理生化反应会引起生物样品空间结构的变化。利用AFM对这些变化的观察，为细胞结构及结构调节的生理意义等研究提供更多有价值的信息。例如Liu [6] 等将大麦的中期染色体经严格点干燥、2M NaCl处理后提取出2种非组蛋白。通过AFM在纳米水平显示提取蛋白后染色体的三维结构，发现处理后的染色体发生下列变化:高度降低同时表面较前粗糙。又如:Sit [7] 将纤维蛋白原固定在3种不同基底表面，研究样品发生的结构变化。由AFM的三维定量分析显示纤维蛋白原按照mica

　　2.2 力学特性由于利用AFM可对扫描各点高度及作用力的测量，这就意味着我们不仅可以获取生物样品的表面形态和三维结构，还可以得到其表面硬度、粘弹性、摩擦力等力学特性的表面图谱 [10] 。例如AFM在扫描样品时，探针尖端作用样品可使样品产生可测量的凹陷。当应力与应变力成线性关系时，样品发生的变形属弹性变化，即撤销力时样品可恢复原有形态。我们利用凹陷的深度数据就能够获取有关样品局部的弹性信息。Alcaraz [11] 等利用AFM测量支气管上皮和肺泡上皮细胞在不同负荷力和作用频率下的复剪切弹性系数，观察其变化规律。在样品表面性能测量中，应该考虑到探针可能同时会受到其他作用而影响实验数据。在该实验中作者就针对溶液粘性牵拉力及与样品接触的探针几何形状引起的偏差予以校正，使测量结果更准确。