试论原子力显微镜在生物医学中的应用

1、试论原子力显微镜在生物医学中的应用摘要：本文从原子力显微镜的事情原理、原子力显微镜的应用、AF在染色体研究方面的盼望、预测四个方面举行了简述。关键词：原子力显微镜生物医学应用1原子力显微镜事情原理原子力显微镜Atifreirspy，AF是一种以物理学原理为底子，通过扫描探针与样品外貌原子彼此作用而成像的新型外貌阐发仪器。它属于继光学显微镜、电子显微镜之后的第三代显微镜。AF通常利用一个很尖的探针对样品扫描，探针结实在对探针与样品外貌作用力极敏感的微悬臂上。悬臂受力偏折会引起由激光源发出的激光束经悬臂反射后产生位移。检测器担当反射光，末了担当信号颠末盘算机体系网罗、处置惩罚、形成样品外貌形貌图像

2、。早期研制的为打仗式原子力显微镜，它包罗恒力形式和恒高形式。前者利用反射光位移引起的光电二极管输出电压的变革构成反响回路操纵压电陶瓷管伸缩，从而调治结实于扫描器上样品的位置，保持样品和探针间作用力悬臂弯曲度稳定，丈量每一点高度的变革。后者保持样品和探针间的间隔稳定，丈量每一点作用力的大校这种形式在调治探针与样品间隔前即可直接不雅测悬臂弯曲度的改变。除传统的打仗式之外，1993年又研制出小扣式原子力显微镜。该显微镜在扫描历程中探针与样品外貌轻轻打仗，悬臂受存在于两者间的排挤力作用随样品外貌升沉产生高频振颤。由于探针与样品的打仗短暂，因此它更实用于质地脆或结实不牢的样品1。2原子力显微镜的应用在A

3、F诞生最初的一段时间重要应用于电化学、质料科学等范畴。近些年，人们渐渐探究着运用AF对生物样品举行纳米程度的不雅测及显微操纵等。与别的显微镜比拟，AF的纳米量级的高空间区分率尤为突出，横向区分率可达0.10.2n，纵向区分率高达0.01n。别的，它不单可以或许对生理状态下的样品成像，而且可以及时动态地研究样品布局和成效的干系。故而，AF成为纳米尺度上研究物质布局、特性和彼此作用的有力本领。以下重要对这项纳米技能在生物医学研究范畴中获得了明显的效果作一综述。2.1形态布局作为新兴的形态构造成像技能，AF实现了对靠近天然生理条件下生物样品的不雅察。这重要由于它具备以下几个特点:1与扫描电镜和透射电

4、镜这些高区分的不雅测技能比拟，样品制备历程轻便，可以不需染色、包埋、电镀、电子束的照耀等处置惩罚历程;2除对大气中枯燥结实后样品的不雅察外，还能对液体中样品成像;3可以根据不雅察者的要求，调治样品所处的温度、湿度、大气、真空等不雅察条件。如今，AF已普及地应用于细胞及卵白、多糖、核酸等生物大分子布局的研究中。对一个细胞而言，AF不单可以或许提供长度、宽度、高度等形态方面的信息，还可以满意人们对膜上的离子通道、丝状伪足、细胞间毗连等渺小布局的研究2，3，乃至还可明晰地不雅察到膜身的骨架布局4。后者对细胞外貌与外貌下布局彼此作用的进一步研究非常有利。Qian5等利用AF对酵母的热休克卵白Sis1与

5、Ssa1举行不雅察，创造只有Ssa1的lid区一端与Sis1缩氨酸结合区作用，而且Sis1二聚体的缩氨酸结合区出现较高程度的凹槽布局，这有助于阐发卵白彼此作用机制及其在卵白折叠、组装、落解、转移中的紧张作用。定的生理生化反响会引起生物样品空间布局的变革。利用AF对这些变革的不雅察，为细胞布局及布局调治的生理意义等研究提供更多有代价的信息。比方Liu6等将大麦的中期染色体经严酷点枯燥、2Nal处置惩罚后提取出2种非组卵白。通过AF在纳米程度表现提取卵白后染色体的三维布局，创造处置惩罚后的染色体产生以下变革:高度低落同时外貌较前粗糙。又如:Sit7将纤维卵白原结实在3种差异基底外貌，研究样品产生的

6、布局变革。由AF的三维定量阐发表现纤维卵白原根据ia2.2力学特性由于利用AF可对扫描各点高度及作用力的丈量，这就意味着我们不但可以猎取生物样品的外貌形态和三维布局，还可以得到其外貌硬度、粘弹性、摩擦力等力学特性的外貌图谱10。比方AF在扫描样品时，探针尖端作用样品可使样品产生可丈量的凹陷。当应力与应变力成线性干系时，样品产生的变形属弹性变革，即消除力时样品可恢回复有形态。我们利用凹陷的深度数据就可以或许猎取有关样品局部的弹性信息。Alaraz11等利用AF丈量支气管上皮和肺泡上皮细胞在差异负荷力和作用频率下的复剪切弹性系数，不雅察其变革纪律。在样品外貌性能丈量中，应该思量到探针大概同时会受到

7、其他作用而影响实行数据。在该实行中作者就针对溶液粘性牵拉力及与样品打仗的探针多少外形引起的缺点予以校正，使丈量效果更正确。2.3分子间力将很高的空间区分率与敏感且正确的力学感到性相结合，是AF的一个极为明显的特点。通过将探针毗连在弹性系数很小的悬臂上，AF对力的丈量敏感性可到达pn程度。到如今为止，AF已经普及地运用于丈量溶液中生物分子间彼此作用如与生物反响有关的水协力的研究12。利用这些研究效果另有助于对生物分子布局和机器性能举行阐发。比方，卵白质依赖多种非共价作用而保持其布局稳定，通过机器或化学的要领将卵白舒展后，可以利用AF直接丈量稳定卵白布局的作用力，并进一步探究这些力对卵白布局的影响

8、。近几年AF对肌卵白titin的去折叠研究获得的明显效果即有力地说明白这一点13别的，AF还可以或许丈量单个分子间薄弱的非共价力。比方丈量受体-配体的去结协力，假设受体结实在基底外貌的话，那么将与之对应的配体结实于探针外貌，使探针成效化。随探针-样品的间隔渐渐缩小，悬臂受探体-样品间吸引或排挤力的作用向靠近或阔别样品的标的目的偏折，悬臂偏折的最大幅度反响分散精细结合两分子所需的力。在丈量中，有大概会受到探针与外貌的非特异性彼此作用的滋扰14。因此，有需要认真地选择比拟实行包罗利用未成效化探针;或基底所处的溶液中利用游离的配体关闭受体;调治溶液的离子强度或pH，低落静电力的干预15。除此之外，探

9、针另有大概受溶液粘性牵拉力作用，使撤离速率减慢至记载数据低于现实的作用力。2.4显微操纵通过在纳米级程度调控探针的位置和施加力，AF可以实现对生物分子举行物理操纵如切割生物布局，转移分子至特定位置。在必然的范畴调解施加力，AF在成像的同时即可对样品举行操纵。施加力的范畴重要由悬臂的力学常数和探针粗细决定。与尺度显维切割技能比拟，AF对目的地区切割、提取等操纵具有更正确的特点。1992年Hansa16利用AF切割遗传物质DNA分子的特定位置，这是人们初次利用AF对生物分子举行的可控性纳米把持。随后它在生物膜的切割17、待研究分子的分散18等方面也得到普及的应用。3AF在染色体研究方面的盼望AF的

10、高区分成像和轻便的样品制备历程吸引了浩繁学者利用它对染色体布局举行研究。但早期由于镶嵌于30n卵白质层的RNA吸附在染色体的外貌19，同时盐、细胞残渣等伴同染色体滴片时吸附于玻片上20，阻碍染色体外貌更渺小的构造成像。迩来随着染色体制备要领的改进和AF成像技能的进步，该方面的研究得到进一步的生长。染色体经胃卵白酶、RNA酶依次作用后，置于溶液中不雅察，不但去除了外貌的卵白质层，而且再次水化后染色体体积增大57倍，可以或许区分出样品外貌的染色质纤维所形成的环状布局19。比来利用该要领使染色体成像横向和纵向区分率别离可到达1n、0.1n，而且创造染色质纤维是由放射状摆列染色质环与盘绕的螺旋管状布局

11、配合构成21。在G、分带中期染色体的三维布局不雅察7，染色单体型畸变识别8，核型阐发等方面研究的应用证明了与光学显微镜、扫描及透射电镜等成像东西比拟AF具备奇特的上风:它不但可以或许识别染色体畸变，同时可以对布局变革举行渺小的不雅察。除正常染色体的布局及外貌性子的研究，AF还对G分带染色体形态产生的一系列变革举行不雅察。研究创造随胰卵白酶作用时间的延伸，染色体除周边之外的别的布局将渐渐产生崩解22。中期染色体经G、分带会出现纵向高度的差异23，24，各条带中染色质纤维摆列的松紧度也有所差异25。这些都有助于染色体分带机制的阐发。对重离子射线诱发染色体畸变阐发创造AF不单识别出染色单体裂隙和单体

12、断裂，还明晰不雅察到单体型畸变的断裂点纤维状布局26。这证明了AF是辐射诱发染色体畸变的布局研究中非常有效的东西。可见，AF已在染色体布局、物理性子等方面研究得到很大的盼望。别的，作为一种纳米把持东西，AF还被用于纳米切割染色体，提取DNA制作FISH实行的探针等27。在亚细胞程度布局研究的底子上，发挥AF毗连亚细胞布局、分子程度研究的桥梁作用，它有大概在基因定位和成效研究等方面得到进一步的应用与生长。综上，依附它对染色体纳米量极的成像和显微把持，AF有盼望成为结合细胞遗传学和分子遗传学的有力东西。4预测1986年，AF作为一种新的成像技能被研制乐成。在之后短短的十余年里它由原有的纳米程度单分子成像，渐渐扩展到外貌成效的研究，分子间力的丈量，可控性分子操纵等多个范畴。固然，不容无视，在上述的AF多种应用中仍