李显
(北京大学第三医院运动营养专业2002级 直博生,10281303)
Abstract: The use of atomic force microscopy (AFM) in biomaterials and engineering applications has increased rapidly over the last few years. Beyond being a tool for measuring surface topography, AFM has made significant contributions to various biomaterials research areas dealing with the structure, properties, dynamics and manipulation of biomaterials surfaces and interfaces. In this article, the basic principle, the modes and the newest applications such as in the scope of studying on the interaction between DNA and protein and the structure of proteins etc. were reviewed in curtness .
Keywords: Atomic force microscope (AFM) Applications
1986年Binnig与斯坦福大学的C. F. Quate和IBM苏黎士实验室的Christopher Gerber合作推出了原子力显微镜(Atomic Force Micoscopy, 简称AFM)（1）,这是一种不需要导电试样的扫描探针型显微镜.这种显微镜通过其粗细只有一个原子大小的探针在非常近的距离上探索物体表面的情况,便可以分辨出其他显微镜无法分辨的极小尺度上的表面细节与特征.由于它的出现,直接观测微观世界的大门被打开了.这种显微镜能以空前的高分辨率探测原子和分子的形状,确定物体的电、磁与机械特性,甚至能确定温度变化的情况.使用这种显微镜时无需使试样发生变化,也无需使试样受破坏性的高能辐射作用.
在STM基础上,Binnig,Quate1和Gerber发明的原子力显微镜(AFM),正在成为生物研究领域中一个有效的工具.AFM可直接对ＤＮＡ,ＲＮＡ和它们的蛋白或其他配合体复合物结构进行研究.同时,样品制备上避免了电镜成像过程中所需要的喷镀、染色和标记等用来增加图像反差的复杂处理步骤. AFM也能够像在空气中一样在液体中操作,因此能在接近生理条件的水合缓冲液中成像生物分子. AFM的分辨率一般是5—10nm,因此AFM是第一个,目前也是唯一能在近似生理条件下对生物样品成像达到纳米分辨率的检测技术（2）同时也是由于AFM既可对导体也可对非导体进行表面观察以及对样品的无破坏性，AFM已经成为当今国际上表面分析领域最为广泛应用的显微分析方法。
基本原理
ＡＦＭ是用一根细微探针象刻光栅线那样在试样表面来回扫描.它记录下来的是力的等值线,即探针尖端上的电子云与试样表面的原子的电子云相重迭时产生斥力的等值线.这一作用力的大小随试样表面起伏而变化.悬臂在此相互作用力下发生弯曲.一束激光照在悬臂上,并为悬臂所反射.当悬臂弯曲时,反射光的路径发生变化,通过一个放在反射路径上的光电二极管,便可检测出悬臂的弯曲程度.显微镜内的反馈装置根据激光束的路径变化来操
纵Ｚ轴压电控制装置,此装置调节试样的高度以使悬臂的弯曲程度保持不变.试样的运动最后转化为表示试样表面起伏情况的图像.ＡＦＭ的分辨率仅受金刚石探针尖端的粗细的限制
1、根据针尖与试样表面相互作用力的变化，ＡＦＭ主要有3种操作模式：接触模式(contact mode),非接触模式(non-contact mode)和敲击模式(tapping mode)。
接触模式，从概念上来理解,接触模式是ＡＦＭ最直接的成像模式.正如名字所描述的那样,AFM在整个扫描成像过程之中,探针针尖始终与样品表面保持亲密的接触,而相互作用力是排斥力.扫描时,悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构,因此力的大小范围在10-10～10-6Ｎ.若样品表面柔嫩而不能承受这样的力,便不宜选用接触模式对样品表面进行成像；
非接触模式，非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方5～10nm的距离处振荡.这时,样品与针尖之间的相互作用由范德华力控制,通常为10-12Ｎ,样品不会被破坏,而且针尖也不会被污染,特别适合于研究柔嫩物体的表面.这种操作模式的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模式十分困难.因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水,它会在样品与针尖之间搭起小小的毛细桥,将针尖与表面吸在一起,从而增加尖端对表面的压力；
敲击模式，敲击模式介于接触模式和非接触模式之间,是一个杂化的概念。悬臂在试样表面上方以其共振频率振荡,针尖仅仅是周期性地短暂地接触/敲击样品表面.这就意味着针尖接触样品时所产生的侧向力被明显地减小了.因此当检测柔嫩的样品时,AFM的敲击模式是最好的选择之一.一旦ＡＦＭ开始对样品进行成像扫描,装置随即将有关数据输入系统,如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶之间的最大距离等,用于物体表面分析.同时,AFM还可以完成力的测量工作,测量悬臂的弯曲程度来确定针尖与样品之间的作用力大小。
2、AFM的技术要点：（1）成像环境 AFM可以在真空、空气和液体环境下成像。根据需要，可在水、各种缓冲液、丙醇、丁醇等液体环境中成像，对实时观察微生物和生物大分子的动态生理过程大有裨益，这是其它技术所无法比拟的；（2）成像载体 AFM的成像载体有很多种，如云母片、玻璃片、石墨、二氧化硅、生物膜等。生物样品多选用云母片，因为它的解离性好，表面非常光滑平整，还可进行化学修饰。AFM的样品制备与电镜、线衍射等技术相比，制样简单，制样过程对样品原始形态的影响小。在空气或真空观察时，可以将纯化的样品直接滴加到成像载体上，吸附一定时间后用滤纸吸干、自然晾干或氮气吹干的方法去掉多余的水分，进行观察。在液体中观察时需要将样品加入到专用的液体池中；（3）探针 探针是AFM的核心部件，它直接决定AFM的分辨率。目前的探针多为硅或其化合物，其尖端的曲率半径为5-40nm。由于探针的尖端不是无限尖而是有一定的宽度，因此在横向测量一个分子时，会出现所谓的“加宽效应”，即测量值大于真实值。为克服这种“加宽效应”，就要研制更细的探针，新近发展起来的碳纳米管针尖效果大大改善，若用单壁碳纳米管制备探针的针尖，其曲率半径可达0.5-2nm，将会获得更高的分辨率，是探针的发展方向。
