原子力顯微鏡（AFM)不僅僅能對(duì)單個(gè)分子進(jìn)行觀測(cè)，而且還能對(duì)單個(gè)分子 進(jìn)行自由操縱[5]。到目前為止AFM的研宄已從原子、小分子、有機(jī)分子、高分 子直至生物分子，涉及到生物技術(shù)、微探測(cè)及納米技術(shù)、微電子技術(shù)、實(shí)際生產(chǎn) 等方面，其在物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料學(xué)以及微電子學(xué)等方面都有廣泛的應(yīng)用前 景，特別是在生物大分子的觀察與操縱方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。AFM的突出有 以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是原子力顯微鏡的樣品制備方便，不需要特別的制備過(guò)程，比 電子顯微鏡（EM)對(duì)生物樣品的破壞小的多；二是原子力顯微鏡不僅能夠在空 氣中操作，而且也能夠在真空中，甚至在液體環(huán)境下都能進(jìn)行操作，因此可以對(duì) 生物樣品進(jìn)行在生理?xiàng)l件下直接成像，并且在生物樣品不會(huì)造成很大的損害；三 是原子力顯微鏡掃描樣品的時(shí)候比較短，對(duì)樣品不會(huì)造成很大損害，因此我們可 以利用這一特性，對(duì)樣品表面可以進(jìn)行原位（in situ)進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀測(cè)；四是原 子力顯微鏡的分辨率較高，能夠?qū)ι飿悠愤_(dá)到分子水平上的三維圖像，目前為 止可以到達(dá)原子級(jí)別的分辨；五是原子力顯微鏡的發(fā)展可以再納米結(jié)構(gòu)的尺寸下 對(duì)樣品表面進(jìn)行局部觀測(cè)特性，例如原子間力距測(cè)量，物質(zhì)的表面電荷密度，特 性系數(shù)和粘滯力等等；六是利用原子力顯微鏡可以對(duì)生物活樣品進(jìn)行納米尺度下 的操作等等。尤其是最近幾年，原子力顯微鏡和其他儀器聯(lián)合，已經(jīng)取得了很大 的進(jìn)展，原子力顯微鏡得到如此廣泛的應(yīng)用，這與它本身獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是分不開(kāi)的。 正因?yàn)樵恿︼@微鏡有上面那么多的優(yōu)點(diǎn)，所以在生命科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)原子力顯微鏡 已經(jīng)成為了以個(gè)必不可少的工具。

原子力顯微鏡已經(jīng)在生命科學(xué)領(lǐng)域的得到了廣泛的應(yīng)用[6]。本節(jié)將按照按照 AFM的研宄對(duì)象分三個(gè)部分對(duì)原子力顯微鏡在生命科學(xué)領(lǐng)域的主要應(yīng)用簡(jiǎn)單的做 一下概述。

自從Lindsay等人首次用AFM獲得DNA分子的圖像以來(lái)，AFM已經(jīng)成為

了研宄DNA分子的重要工具。Hansma等首次在丙醇中得到了質(zhì)粒DNA可重復(fù) 的AFM圖像，他們通過(guò)AFM切割遺傳物質(zhì)脫氧核糖核酸分子的指定的位置，這 是人們第一次利用AFM對(duì)生物分子進(jìn)行的可控制性的納米操縱[7]。隨后它在生 物膜的切割、待研宄分子的分離[8]等方面也得到廣泛的應(yīng)用。vesenka等人 [9]在大氣的環(huán)境下獲得了脫氧核糖核酸的重復(fù)性的AFM圖像。最近幾年以來(lái)， 通過(guò)改善AFM樣品制備方法，改進(jìn)探針針尖的分子修飾，更重要的是我們通過(guò) TM-AFM成像，一些科研工作者獲得超分辨的DNA以及DNA的復(fù)合物的圖像 [10-14]。由于DNA是直接關(guān)系到遺傳過(guò)程中在轉(zhuǎn)錄和翻譯的過(guò)程，因此研宄 DNA分子顯得尤為重要，Matthias等人[15]通過(guò)用修飾過(guò)的原子力顯微鏡的探 針針尖，把固定在金表面的單個(gè)雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA分子拉伸，通過(guò)多次的拉 伸，統(tǒng)計(jì)處了 DNA分子的力曲線。目前，原子力顯微鏡還不能解決DNA分子的 核苷酸的序列，但是通過(guò)原子力顯微鏡已經(jīng)研宄出了高級(jí)DNA與蛋白質(zhì)的復(fù)合 物[16],并且可以研宄單個(gè)DNA分子的長(zhǎng)度、寬度和高度。Martin等[17]用AFM 實(shí)時(shí)觀察到了環(huán)狀和棒狀DNA聚合體的組裝的動(dòng)態(tài)過(guò)程，以及DNA聚合體的運(yùn) 動(dòng)和結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程。

首先用原子力顯微鏡研宄的蛋白質(zhì)是halobacterium halobim的紫膜上的視紫 紅蛋白[18],經(jīng)過(guò)分析可以看出：視紫紅蛋白在膜上成二維的六角形排列，每個(gè) 六角形為一個(gè)晶胞，晶胞間距為6.2nm，相當(dāng)于視紫紅三聚體。對(duì)于以一些游離 蛋白質(zhì)，科學(xué)家們也在這方面獲得了很大的成功，已經(jīng)用原子力顯微鏡研宄了一 些游離蛋白質(zhì)，像膠原蛋白、免疫蛋白、肌動(dòng)蛋白、蛋白聚合酶和巨球蛋白等等 [19-23]。由于AFM能在液體和近生理?xiàng)l件下獲得高分辨的形貌圖，因此在蛋白 的成像方面得到了廣泛的應(yīng)用，主要有：研宄蛋白分子形狀的改變[28-30]，觀 察蛋白質(zhì)的微觀內(nèi)部構(gòu)造[24-27]，探索蛋白質(zhì)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程[32-34]，實(shí)時(shí)觀測(cè) 蛋白質(zhì)的自組裝過(guò)程[31-32]，進(jìn)行原子力顯微鏡的單分子操縱[36]、檢測(cè)蛋白 質(zhì)的表面特性[35]等。鑒定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)[24-27]，觀察蛋白分子構(gòu)象的變化 [28-30]，研宄蛋白分子的組裝[31-32]了解蛋白的功能[32-34]、探測(cè)蛋白質(zhì)表 面的靜電特性[35]，控制和操縱單個(gè)蛋白分子[36]等。

原子力顯微鏡在多糖研宄方面相對(duì)來(lái)講比較晚一些，我們知道多糖一般都具 有很大的分子量，支鏈較多，在溶解方面非常不容易，均一性較差，因此得到的 原子力顯微鏡的形貌圖也往往比較差，分辨率達(dá)不到。但是在最近的幾年時(shí)間 內(nèi)，用原子力顯微鏡研宄多糖的聚集體比較多[37-39],在多糖的研宄方面取得了 很大的進(jìn)展。

Kirby等人[40]在溶液的狀態(tài)下對(duì)多糖黃原膠分子和acetan分子，并且對(duì)植 物多糖角叉聚糖和果膠進(jìn)行原子力顯微鏡成象進(jìn)行了對(duì)比。馬秀俐等人[41]利用 原子力顯微鏡觀測(cè)到西洋參多糖的分子鏈為多股形狀并且緊密并行螺旋排列，每 股螺旋直徑約為200-250nm左右。然而進(jìn)一步多糖中支鏈在主鏈上的結(jié)合情況以 及其對(duì)整個(gè)多糖分子構(gòu)型的影響和對(duì)纖維素衍生物的單晶結(jié)構(gòu)的做了進(jìn)一步的研 宄報(bào)道。Kirby等人[42]和Round等人[43,44]分別利用原子力顯微鏡研宄了果膠 多糖的的支鏈結(jié)構(gòu)和相互交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。支鏈的存在直接會(huì)影響果膠多糖的粘 度性質(zhì)，即便在很低的濃度下，仍然可以看到單個(gè)聚集體的存在。上面的一些實(shí) 驗(yàn)都能通過(guò)AFM清楚的得到多糖的高分辨的圖象，這些一般利用電子顯微鏡是 不易觀察到的。