原子力显微镜在生物医学中
应用的现状分析
项目完成单位：国家生物医学分析中心，毒物药物研究所★
项目完成人：张德添 张 飒 张英鸽★ 杨 怡 周 涛 何 昆
摘 要 原子力显微镜（AFM）是近十几年来表面成像技术中最重要的进展之一。它具有非常高的分辨率。本文将讨论原子力显微镜的工作原理、原子力显微镜在生物医学应用中的现状，包括生物医学样品的表面形貌观测，在液体中的观测，生物分子之间力谱曲线的观测,以及生物医学样品制备技术等进行初步的分析和讨论。
关键词 原子力显微镜、分辨率、生物分子
原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，简称AFM ）[1]是近十几年来表面成像技术中最重要的进展之一。与传统的扫描电子显微镜相比，它具有非常高的横向分辨率和纵向分辨率。正常情况下，横向分辨率可达到0.1～0.2纳米，纵向分辨率高达0.01纳米。这是扫描电子显微镜很难达到的。同时，AFM能够在生理状态下（如在液体中）成像，而且还可以在分子水平上进行力谱曲线的检测，研究其结构和功能的关系。这在生物医学研究中具有重要的意义[2]。当然，原子力显微镜在生物医学应用中，也存在一定的局限性和困难。
一、原子力显微镜工作原理介绍
原子力显微镜工作原理是利用激光束偏转法，将针尖制作在一个对微弱力极敏感的V字形的微悬臂上，微悬臂的另—端固定住，使针尖趋近样品表面并与表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子之间存在着微弱的排斥力，当针尖进行扫描时，可通过反馈系统控制压电陶瓷管伸缩来保持原子间的作用力恒定，带有针尖的微悬臂将随着样品表面的起伏而颤动，利用光学检测方法得到样品表面形貌的信息。
AFM具有很宽的工作范围。可以在诸如真空、大气、低温以及各种液体环境中
使用，从而可使研究者选择适当的环境进行研究。AFM观测的生物医学样品可以从单个分子到整个细胞。AFM有两种工作模式：恒高模式（保持样品和探针间的距离不变，测量每一点作用力的大小）和恒力模式（保持样品和探针间作用力不变，测量每一点高度的变化）。这两种模式都可以得到与表面形貌有关的丰富信息，经过计算机采集、处理，最后成像。AFM原理图，如右图所示。
二、原子力显微镜在生物医学中的主要应用方面
1987年，世界上成功地推出了第一台商业化的扫描隧道显微镜（STM）后，大约过了两年，世界上又成功地推出了第一台商业化的原子力显微镜（AFM）。它们也可统称 为扫描探针显微镜（SPM）。扫描探针显微镜(SPM)是继光学显微镜，电子显微镜之后的 第三代显微镜。这是一种以物理学为基础，集多种现代科技为一体的新型表面分析仪器。
它们的共同特点是能对以前无法观察到的材料表面（包括非生物材料和生物材料）纳米尺度的结构和性能进行成象和探索研究。一般来说，原子力显微镜有接触式（CONTACT MODE）和轻敲式（TAPPING MODE）两种工作方式。其中轻敲式工作方式比较适合生物医学样品。目前，各大公司所销售的原子力显微镜中，一般都配置有扫描隧道显微镜的功能[3]。
２１世纪将是生命科学的世纪。当今生命科学已经从描述性、实验性科学向定量科学性过渡。研究的焦点是生物大分子[4]。尤其是蛋白质和核酸发展起来的结构与功能的关系研究。纳米生物学是在纳米尺度上研究生物的反应机理，包括修复、复制和调控方面的生物过程，以及对分子的操纵和改性为目的分子生物工程等。由于AFM可在大气或液体的自然状态直接对生物医学样品进行成像，分辨率又比较高，因此， AFM已成为研究普通生物医学样品，及其生物大分子的理想工具之一。主要应用方面包括：生物细胞的表面形态观测；生物大分子的结构及其他性质的观测研究；生物分子之间力谱曲线的观测等。
