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原子力显微镜——强大的助手
作者:李显 来源:生物秀 时间:2007-3-6

    (3)蛋白质晶体
    大分子晶体学近来被MCPERSON等做了详细综述,目前在此领域主要研究包括:①
    蛋白质结构信息 包括晶体中的晶胞参数、晶胞中的蛋白质分子数目及晶体中每个不对称单位内蛋白质分子数和空间分布情况等重要信息;②蛋白质结晶的动态过程 优点是在几乎不受外界干扰的情况下用图像的方式记录下来;③蛋白质配体和受体之间的相互作用过程.
    使用AFM观察蛋白质,人们已经得到几点共识:①蛋白质与载体物质表面之间由溶液介导的力和两者之间粘着的热动力学稳态分别可以通过探针进退的力—距离(f-d)曲线来分析;②蛋白/物质的作用力对蛋白吸收特性的影响远远弱于支持表面的作用;③支持表面的稳定性与从蛋白总体到表面的散力共同决定蛋白吸附的特性。
    3、糖分子的研究
    相比核酸、蛋白质的研究,AFM被应用于多糖分子的研究开展较晚,主要原因是多糖分子往往带有侧链,分子的不均一性差,所得分辨率较低。但近年来从单个多糖分子的高级结构到多糖聚合体已经用AFM开展了一许多卓有成效的研究:
    (1)用AFM观察多糖分子的高级结构。HANLEY等通过AFM观测纤维素纤维的晶体结构分子表面纤维素分子的周期性螺旋变化情况(19)。(2)用AFM研究多糖形成的凝胶网状结构。GUNINIG等用钾盐化的CELLAN为对象通过AFM观测二维多糖网络结构(20),并研究了多糖浓度以及几种离子在不同浓度下对凝胶网络形成的影响。(3)用AFM直接观察以纤维素微纤维素为主体的植物细胞壁。
    AFM的小结
    在SPM家族中,AFM以其原子级分辨率、广泛的适用性和操作方便等优点,成为材料表面研究的重要工具。但是,通常的激光检测的AFM是接触式(contact mode)的,即探针悬臂上的针尖紧贴样品表面扫描,针尖顶端和样品表面的原子之间的排斥力引起微悬臂的微小形变,用悬臂上反射激光束的偏转来检测形变,就能得到样品表面形貌的信息。显然,这种接触式的扫描方式适用于较硬的样品,对一些较软的样品,尤其是生物样品,往往会引起样品的损伤甚至破坏。为防止损伤,一般采取非接触式(non-contact mode),即在探测过程中使探针和样品之间保持一微小距离,一般为几到几十纳米。但在这种情形下,探针和样品之间的作用力是很小的(约为10-12N),这就增加了信号的检测难度,影响了测量的分辨率。如果在扫描过程中使探针产生上下的简谐振动,不断地轻轻“叩击”样品表面,针尖顶端与样品表面的原子之间的排斥力则会影响探针简谐振荡的振幅、频率和相位,这样,不但降低了损伤样品表面的可能性,而且能在动态检测的基础上,开发频移和相位改变等多种高灵敏度的检测方式。事实上,正是探针的振荡模式,使AFM派生出像MFM和电力显微镜(EFM)等SPM家族的新成员。
    动态AFM(dynamic AFM)与静态AFM相对,是指探针与样品的接触不是静止的而是通过探针或样品的振幅和频率改变而对样品进行测量。在测量中,探针不接触样品表面所以达不到原子水平,一般为纳米量级,但对样品不造成任何损伤故对样品的要求大大降低,可以用来对柔软的生物学样品进行测量。
    动态AFM模型的建立基于以下四个因素:(1)超高真空(UHV)条件下,常规的纳米级半导体、多聚体和生物大分子以及原子可以在绝缘体表面成像;(2)对探针尖—样品之间作用敏感的参数(振幅、频率、相位变化和悬臂弯曲)的存在;(3)振动探针尖与表面相互作用时的特殊表现;(4)发展大量的在纳米水平研究物质间作用特点的手段存在很大的潜力。
    目前,已经发明了两种测量样品表面景象的动态AFM方法——调幅原子力显微镜AM-AFM)和调频原子力显微镜(FM-AFM)。在AM-AFM(也叫敲击模式)中,带有锐利尖端的刚臂以接近或恰好的自由共振频率振动。振动的振幅作为反馈的参数来反映和测量样品表面的图像信息。此外,样品物质的改变可以通过记录驱动力与尖端振幅之间的位相改变来反映和测算。另一方面,调幅模式中的悬臂在自己的共振频率振动时是保持固定振动幅度地,而它的频率则由尖端和样品之间的作用力来决定。这种频率转换依赖空间改变的性质,这种实际频率和原有频率间的差别就是对比的来源。图像也正是靠频率改变的信息来确定地。大多数在UHV中的实验都用FM-AFM来做,而液相和气相中的多在AM-AFM中进行。
    因为在UHV中的原子成像都是由尖端-样品的不接触就获得,所以FM-AFM也叫非接触AFM(NC-AFM)。然而,近来的技术发展表明FM-AFM也能在相斥体中用于接触式的测量。另一方面,AM-AFM也能在真正非接触的状态下完成测量。所以,动态AFM也包括非接触或间断的接触模式进行操作。由此可见AFM的工作模式可以多种多样。

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