原子力显微镜在生物学中的应用

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由于AFM的高分辨率，并且可以在生理条件下进行操作和观察，AFM在生物学中的应用越来越得到重视。利用AFM可以对胞以及细胞膜进行观察。最先用AFM进行成像的细胞是干燥于盖玻片表面的固定的红细胞。在AFM成像中，扫描区域可变动于10um和1nm之间，甚至更小。因而它能够对整个细胞或单个分子成像，如离子通道和受体。对于研究细胞来讲，AFM区别于其他工具最显著的优势是其可以在生理条件下进行细胞成像。如在生理盐水中对红细胞成像的辨别力为30nm。AFM为科学家在生理条件下研究细胞膜和膜蛋白的结构提供了有力的手段。Langmuir-Blodgett(LB)膜的AFM成像提供了脂质膜厚度的直接证据,这在以前已用间接的方法测定或只是一种理论推测。AFM的高度辨别力是亚纳米水平的。LB膜的分子水平成像表现出单个头部极性基团及分子排列，包括它们的广范围装配。研究这些膜的好处在于人们可随时改变脂质的组成，研究脂-脂相互作用，流动性，及脂-蛋白间的相互作用。用LB膜进行研究的结论表明，AFM对生物标本成像在一般情况下与电镜成像一致，但却有电镜所不具有的优越之处：即AFM是在近生理条件下成像。AFM成像并非仅仅限于天然生物膜，而且可用于合成膜。利用这一点，人们可以合成特定物质所组成的生物膜，使蛋白质能够按一定的秩序镶嵌其内。这种技术对于对那些在通常情况下不形成阵列的蛋白质的成像具有一定的意义。

AFM由于其纳米级的分辨率，可以清楚的观察大分子，如DNA，蛋白质，多糖的物质的形貌结构。

从首次用AFM获得DNA分子的图像以来，AFM便成为研究DNA分子的重要工具。分子辨别水平(2～3nm)的双链DNA的成像也已能够在空气和液体中进行，其螺旋沟及轮匝可以辨认；DNA分子的宽度和高度似乎依赖于操作环境(空气或溶液)，尖端特性及所用底物。单链DNA无论在何种辨别水平都较难成像。似乎还没有发现适宜的制备方法或底物。

此外，AFM还被应用于测定作用力和通过改变作用力而进行的微小结构加工等方面。通过改变探针的物理和化学性质，在不同的环境下来测量它与样品表面的作用力，从而可以获得样品的电性、磁性和粘弹性等方面的信息。AFM的这一功能对于研究粒子之间的相互作用是非常有用的。处于微悬臂前端的探针在样品原子(分子)的作用下将使微悬臂产生形变。受吸引力的吸引时，针尖端将向样品弯曲，而受排斥力作用时，向远离样品的方向弯曲。这种形变一般采用光学装置来测量。在生命科学领域，可用于AFM来探测DNA复制、蛋白质合成、药物反应等反应过程中的分子间力的作用，若对探针进行生物修饰，可以测量单个配体-受体对之间的结合力。若将单个生物分子的分子链尾端连接到AFM针尖上，AFM则可根据探针上的特定分子与样品底物之间的结合来测定其力的大小。

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