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原子力显微镜的应用

发布日期:2015-06-04 09:57:38
原子力显微镜(AFM)不仅仅能对单个分子进行观测,而且还能对单个分子 进行自由操纵[5]。到目前为止AFM的研宄已从原子、小分子、有机分子、高分 子直至生物分子,涉及到生物技术、微探测及纳米技术、微电子技术、实际生产 等方面,其在物理、化学、医学、材料学以及微电子学等方面都有广泛的应用前 景,特别是在生物大分子的观察与操纵方面已经取得了很大进展。AFM的突出有 以下几个特点:一是原子力显微镜的样品制备方便,不需要特别的制备过程,比 电子显微镜(EM)对生物样品的破坏小的多;二是原子力显微镜不仅能够在空 气中操作,而且也能够在真空中,甚至在液体环境下都能进行操作,因此可以对 生物样品进行在生理条件下直接成像,并且在生物样品不会造成很大的损害;三 是原子力显微镜扫描样品的时候比较短,对样品不会造成很大损害,因此大家可 以利用这一特性,对样品表面可以进行原位(in situ)进行实时的观测;四是原 子力显微镜的分辨率较高,能够对生物样品达到分子水平上的三维图像,目前为 止可以到达原子级别的分辨;五是原子力显微镜的发展可以再纳米结构的尺寸下 对样品表面进行局部观测特性,例如原子间力距测量,物质的表面电荷密度,特 性系数和粘滞力等等;六是利用原子力显微镜可以对生物活样品进行纳米尺度下 的操作等等。尤其是最近几年,原子力显微镜和其他仪器联合,已经取得了很大 的进展,原子力显微镜得到如此广泛的应用,这与它本身独特优势是分不开的。 正因为原子力显微镜有上面那么多的优点,所以在生命科学领域内原子力显微镜 已经成为了以个必不可少的工具。
原子力显微镜已经在生命科学领域的得到了广泛的应用[6]。本节将按照按照 AFM的研宄对象分三个部分对原子力显微镜在生命科学领域的主要应用简单的做 一下概述。
自从Lindsay等人首次用AFM获得DNA分子的图像以来,AFM已经成为
了研宄DNA分子的重要工具。Hansma等首次在丙醇中得到了质粒DNA可重复 的AFM图像,他们通过AFM切割遗传物质脱氧核糖核酸分子的指定的位置,这 是人们第一次利用AFM对生物分子进行的可控制性的纳米操纵[7]。随后它在生 物膜的切割、待研宄分子的分离[8]等方面也得到广泛的应用。vesenka等人 [9]在大气的环境下获得了脱氧核糖核酸的重复性的AFM图像。最近几年以来, 通过改善AFM样品制备方法,改进探针针尖的分子修饰,更重要的是大家通过 TM-AFM成像,一些科研工编辑获得超分辨的DNA以及DNA的复合物的图像 [10-14]。由于DNA是直接关系到遗传过程中在转录和翻译的过程,因此研宄 DNA分子显得尤为重要,Matthias等人[15]通过用修饰过的原子力显微镜的探 针针尖,把固定在金表面的单个双螺旋结构的DNA分子拉伸,通过多次的拉 伸,统计处了 DNA分子的力曲线。目前,原子力显微镜还不能解决DNA分子的 核苷酸的序列,但是通过原子力显微镜已经研宄出了高级DNA与蛋白质的复合 物[16],并且可以研宄单个DNA分子的长度、宽度和高度。Martin等[17]用AFM 实时观察到了环状和棒状DNA聚合体的组装的动态过程,以及DNA聚合体的运 动和结构的变化过程。
首先用原子力显微镜研宄的蛋白质是halobacterium halobim的紫膜上的视紫 红蛋白[18],经过分析可以看出:视紫红蛋白在膜上成二维的六角形排列,每个 六角形为一个晶胞,晶胞间距为6.2nm,相当于视紫红三聚体。对于以一些游离 蛋白质,科学家们也在这方面获得了很大的成功,已经用原子力显微镜研宄了一 些游离蛋白质,像胶原蛋白、免疫蛋白、肌动蛋白、蛋白聚合酶和巨球蛋白等等 [19-23]。由于AFM能在液体和近生理条件下获得高分辨的形貌图,因此在蛋白 的成像方面得到了广泛的应用,主要有:研宄蛋白分子形状的改变[28-30],观 察蛋白质的微观内部构造[24-27],探索蛋白质的动力学过程[32-34],实时观测 蛋白质的自组装过程[31-32],进行原子力显微镜的单分子操纵[36]、检测蛋白 质的表面特性[35]等。鉴定蛋白质的结构[24-27],观察蛋白分子构象的变化 [28-30],研宄蛋白分子的组装[31-32]了解蛋白的功能[32-34]、探测蛋白质表 面的静电特性[35],控制和操纵单个蛋白分子[36]等。
原子力显微镜在多糖研宄方面相对来讲比较晚一些,大家知道多糖一般都具 有很大的分子量,支链较多,在溶解方面非常不容易,均一性较差,因此得到的 原子力显微镜的形貌图也往往比较差,分辨率达不到。但是在最近的几年时间 内,用原子力显微镜研宄多糖的聚集体比较多[37-39],在多糖的研宄方面取得了 很大的进展。
Kirby等人[40]在溶液的状态下对多糖黄原胶分子和acetan分子,并且对植 物多糖角叉聚糖和果胶进行原子力显微镜成象进行了对比。马秀俐等人[41]利用 原子力显微镜观测到西洋参多糖的分子链为多股形状并且紧密并行螺旋排列,每 股螺旋直径约为200-250nm左右。然而进一步多糖中支链在主链上的结合情况以 及其对整个多糖分子构型的影响和对纤维素衍生物的单晶结构的做了进一步的研 宄报道。Kirby等人[42]和Round等人[43,44]分别利用原子力显微镜研宄了果胶 多糖的的支链结构和相互交织的网状结构。支链的存在直接会影响果胶多糖的粘 度性质,即便在很低的浓度下,仍然可以看到单个聚集体的存在。上面的一些实 验都能通过AFM清楚的得到多糖的高分辨的图象,这些一般利用电子显微镜是 不易观察到的。
 
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