原子力显微镜：在生物行业应用概述

·AFM对生物细胞的表面形态观察 AFM可以用来对细胞进行形态学观察，并进行图像的分析。通过观察细胞表面形态和三维结构，可以获得细胞的表面积、厚度、宽度和体积等的量化参数等。例如，利用AFM可以对感染病毒后的细胞表面形态的改变、造骨细胞在加入底物（钴铬、钛、钛钒等）后细胞形态和细胞弹性的变化、GTP对胰腺外分泌细胞囊泡高度的影响进行研究。利用AFM还可以对自由基损伤的红细胞膜表面精细结构的研究，直接观察到自由基损伤，以及加女贞子保护作用后，对红细胞膜分子形态学的影响。

·生物大分子的结构及其他性质的观测研究

2.1 蛋白质

对于蛋白质，AFM的出现极大的推动了其研究进展。AFM可以观察一些常见的蛋白质，诸如白蛋白，血红蛋白，胰岛素及分子马达和噬菌调理素吸附在图同固体界面上的行为，对于了解生物相溶性，体外细胞的生长，蛋白质的纯化，膜中毒有很大帮助。

AFM 实验证实了胶原蛋白组装有时连续，有时不连续的性质，通过形貌图也提供了胶原蛋白纤维状结构特征。Quist等利用AFM 研究了白蛋白和猪胰岛素在云母基底上的吸附行为，根据AFM 图上不同尺寸的小丘状物质推测，蛋白质有时发生聚集，有时分散分布。

在AFM 观察包裹有紫膜的噬菌调理素蛋白（BR) 的研究中，AFM的改进，检测技术的提高和制样技术的完善得到了集中的体现。在细胞中，分子马达可以将化学能转变为机械运动，防止因为布朗运动导致的细胞中具有方向性的活动出现错误，这些活动包括：肌浆球蛋白，运动蛋白，动力蛋白，螺旋酶，DNA 聚合酶和RNA 聚合酶等分子马达蛋白的共同特点是沿着一条线性轨道执行一些与生命活动息息相关的功能，比如肌肉的收缩，细胞的分化过程中染色体的隔离，不同细胞间的细胞器的置换以及基因信息的解码和复制等。由于分子马达本身的微型化，它们容易受更高的热能和大的波动的影响，了解马达分子如何正常有序工作就成为一项具有挑战性的任务。

利用AFM，人们已经知道了肌动蛋白结合蛋白的结构信息和细胞运动过程中肌动蛋白骨架调控功能。

2.2 脱氧核糖核酸(DNA)

AFM液相成像技术的优点在于消除了毛细作用力，针尖粘滞力，更重要的是可以在接近生理条件下考察DNA 的单分子行为。DNA 分子在缓冲溶液或水溶液中与基底结合不紧密，是液相AFM面临的主要困难之一。硅烷化试剂,如3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）和阳离子磷脂双层修饰的云母基底固定DNA 分子，再在缓冲液中利用AFM 成像，可以解决这一难题。在气相条件下阳离子参与DNA的沉积已经发展十分成熟，适于AFM 观察。在液相条件下，APTES 修饰的云母基底较常用。目前DNA的许多构象诸如弯曲，超螺旋，小环结构，三链螺旋结构，DNA 三通接点构象，DNA 复制和重组的中间体构象，分子开关结构和药物分子插入到DNA 链中的相互作用都广泛地被AFM考察，获得了许多新的理解。

2.3 核糖核酸( RNA)

AFM对RNA的研究还不是很多。结晶的转运RNA 和单链病毒RNA 以及寡聚Poly (A) 的单链RNA 分子的AFM 图像已经被获得。因为在于不同的缓冲条件下，单链RNA 的结构变化十分复杂，所以单链RNA 分子的图像不容易采集。（利用AFM成像RNA分子需要对样品进行特殊和复杂的处理。

2.4 核酸与蛋白质复合物( Nuclearacids-Protein Complex)

DNA 和蛋白质分子的特定相互作用在分子生物学中起着关键作用。蛋白质与DNA 结合的精确位点图谱和不同细胞状态下结合位点的测定对于了解复杂细胞体系的功能与机理，特别是基因表达的控制都十分关键。AFM 作为一种高度分辨达0。1 nm，宽度分辨率为2 nm 左右的表面分析技术，已广泛地用于表征各类DNA-蛋白质的复合物，通过AFM 成像了解其动态过程。

2.5 细胞( Cell)

AFM 不仅能够提供超光学极限的细胞结构图像，还能够探测细胞的微机械特性，利用AFM 力-曲线技术甚至能够实时地检测细胞动力学和细胞运动过程。利用AFM 研究细胞很少用样品预处理，尤其是能够在近生理条件下对它们进行研究。

利用AFM 直接成像方法，可以对固定的活细胞和亚细胞结构进行了深入研究。这些研究获得了关于细胞器的构造，细胞膜和细胞骨架更详细的信息。将细胞固定在基底上再进行AFM 观察，可以得到细胞膜结构的皱褶，层状脂肪物，微端丝和微绒毛等特征。由于细胞质膜掩盖了细胞内部骨架，现在已经发展了一种仔细剥离该层膜的方法,并利用AFM 对剥离细胞膜后的结构进行了研究。

AFM 在细胞研究方面的一个最重要用途是对活细胞的动力学过程，细胞间的相互作用以及细胞对其内外干扰因素的响应进行实时成像目前，AFM已经可以对外来病毒感染的细胞进行实时考察。AFM还可以研究活性状态下血小板形状的变化情况和培养的胰腺细胞对淀粉消化酶的响应情况。

2.6样品筛选

利用 AFM 系统获取大量样品信， 进行样品常规筛选。 无论是材料生产中进行失效分析或纳米级的质量控制，及时的产品信息反馈是必不可少的产品质量控制过程。纳米 表征面临提高表征速度的挑战时，高精准度成为必备条件。

在获取药物配方的过程中需要大量的数据对其中的非晶药物成分进行筛选。

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