原子力顯微鏡在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的現(xiàn)狀分析

1、108原子力顯微鏡在生物醫(yī)學(xué)中原子力顯微鏡在生物醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的現(xiàn)狀分析應(yīng)用的現(xiàn)狀分析項(xiàng)目完成單位：國(guó)家生物醫(yī)學(xué)分析中心，毒物藥物研究所★項(xiàng)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(lái)表面成像技術(shù)中最重要的進(jìn)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(xué)應(yīng)用中的現(xiàn)狀，包括生物醫(yī)學(xué)樣品的表面形貌觀測(cè)，在液體中的觀測(cè)，生物分子之間力譜曲線的觀測(cè)以及生物醫(yī)學(xué)樣品制備技術(shù)等進(jìn)

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(jiǎn)稱AFM）[1]是近十幾年來(lái)表面成像技術(shù)中最重要的進(jìn)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(dá)到0.1～0.2納米，縱向分辨率高達(dá)0.01納米。這是掃描電子顯微鏡很難達(dá)到的。同時(shí)，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(jìn)行力譜曲線的檢測(cè)，

3、研究其結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系。這在生物醫(yī)學(xué)研究中具有重要的意義[2]。當(dāng)然，原子力顯微鏡在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)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(gè)對(duì)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(dāng)針尖進(jìn)行掃描時(shí)，可通過(guò)反饋系統(tǒng)控制壓電陶瓷管伸縮來(lái)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(dòng)，利用光學(xué)檢測(cè)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(dāng)?shù)沫h(huán)境進(jìn)行研究。AFM觀測(cè)的生物醫(yī)學(xué)樣品可以從單個(gè)分子到整個(gè)細(xì)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(cè)量每一點(diǎn)作用力的大?。┖秃懔δＪ剑ū３謽悠泛吞结橀g作用力不變，測(cè)量每一點(diǎn)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(xué)樣品的制備問(wèn)題。因此，一般情況下，都需要科研人員必須自己動(dòng)手來(lái)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(xì)胞樣品制備過(guò)程大致步驟如下：首先提取細(xì)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(xì)胞滴加于云母表面；氮?dú)獯蹈刹⒄蛊?；用接觸式或輕敲式進(jìn)行細(xì)胞的表面形態(tài)觀測(cè)。又如活的培養(yǎng)細(xì)胞樣品制備過(guò)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(jìn)行處理；然后將細(xì)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(wú)細(xì)胞面沾到指甲油上；將培養(yǎng)液滴加到小片的有細(xì)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(jìn)行細(xì)胞表面形態(tài)的成像觀測(cè)。如O’Reilly[5]等，利用AFM對(duì)一定數(shù)量的血紅細(xì)胞表面形態(tài)及三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，并進(jìn)行圖象分析。從而得出細(xì)胞的厚度、寬度、表面積以及體積等的

7、量化參數(shù)等。對(duì)于活細(xì)胞，也可以在AFM的液體池中進(jìn)行動(dòng)態(tài)的觀察。通過(guò)液體池的進(jìn)液孔可隨時(shí)注入不同的化合物溶液，改變活細(xì)胞的液體環(huán)境（如離子濃度、pH值、溫度、濕度等），進(jìn)行動(dòng)態(tài)的觀測(cè)。Jena[6]等，利用AFM對(duì)感染病毒后細(xì)胞表面形態(tài)的改變、造骨細(xì)胞在加入底物（鈷鉻、鈦、鈦釩等）后細(xì)胞形態(tài)和細(xì)胞彈性的變化、GTP對(duì)胰腺外分泌細(xì)胞囊泡高度的影響進(jìn)行研究。黃益民[7]等，利用原子力顯微鏡對(duì)自由基損傷的紅細(xì)胞膜表面精細(xì)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(hù)作用后，對(duì)紅細(xì)胞膜分子形貌學(xué)的影響。如果是一些組織生物醫(yī)學(xué)樣品要進(jìn)行AFM的表面形態(tài)的成像觀測(cè)，樣品制備過(guò)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(cè)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(jìn)行成像觀測(cè)。一般來(lái)說(shuō)，組織生物醫(yī)學(xué)樣品進(jìn)行AFM的表面形態(tài)的成像效果還比較滿意。AFM觀察細(xì)