原子力顯微鏡是利用光杠桿原理產(chǎn)生的光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)研制而成的。在一個(gè)對(duì)形變極為敏感的微懸臂的一端安裝納米級(jí)的針尖,掃描時(shí)樣品和針尖存在力的相互作用,使微懸臂產(chǎn)生形變,導(dǎo)致從針尖背面反射到四象限檢測(cè)器的激光束發(fā)生微弱變化,繼而產(chǎn)生電壓差,*后將這些電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像。AFM原子力顯微鏡共由偏轉(zhuǎn)檢測(cè)系統(tǒng)、探針、掃描系統(tǒng)(壓電陶瓷)、反饋系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)五部分組成。用于分析的模式有接觸模式和振蕩模式兩種成像模式和一種力模式。使用接觸模式進(jìn)行掃描時(shí),針尖與樣品相互接觸,所成的圖像具有較高的分辨率,通常用來(lái)檢測(cè)樣品的物理屬性,由于剪切力的存在,對(duì)樣品有一定損傷,很少用于探測(cè)生物樣品。振蕩模式是靠聲學(xué)或磁力驅(qū)動(dòng),針尖和樣品只有短暫接觸,作用力較小,常用于生物樣品成像。與前兩種模式不同,力模式不能用于成像,而是用來(lái)測(cè)量針尖與樣品表面之間相互作用力。探針是原子力顯微鏡的重要部件,探針的好壞直接決定著實(shí)驗(yàn)的成敗。探針因生產(chǎn)廠家而異,主要有Si針尖、Si3N4針尖和*近幾年發(fā)展起來(lái)的碳納米管針尖(國(guó)立秋等,2003)等幾種類型。因?yàn)樘结樀男螤睢⒘Τ?shù)、固有頻率等參數(shù)不同,適合的工作范圍也不同,應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要甄選。
DNA是生命體的主要遺傳物質(zhì),研究它的結(jié)構(gòu)和功能,有利于了解生命過(guò)程中遺傳信息的儲(chǔ)存和傳遞過(guò)程。Lindsay等率先用AFM原子力顯微鏡對(duì)DNA分子進(jìn)行了觀察。隨后,科研人員對(duì)DNA的原子力顯微鏡成像進(jìn)行了大量的研究?，F(xiàn)在關(guān)于DNA的實(shí)驗(yàn)日臻完善,劉志國(guó)等運(yùn)用了二價(jià)陽(yáng)離子和3-aminopropyltriethoxysilane(APTES)修飾的云母來(lái)固定DNA分子,給出了用于DNA分子成像的合適的DNA濃度和二價(jià)離子濃度,在不同的APTES修飾云母的方法中,液相溶液修飾的方法能獲得較好的效果;當(dāng)使用較高濃度的DNA分子成像時(shí),觀察到了DNA的網(wǎng)絡(luò);展示了一種簡(jiǎn)單的伸展長(zhǎng)鏈DNA分子的方法;討論了*佳的成像條件和AFM原子力顯微鏡的操作技術(shù)并對(duì)各種固定DNA的方法進(jìn)行了比較和評(píng)估。
植物細(xì)胞中含有成百上千種蛋白質(zhì),占細(xì)胞干重的比例僅次于纖維素,是植物細(xì)胞的重要組成部分。蛋白質(zhì)通過(guò)結(jié)構(gòu)的改變——構(gòu)象的變化來(lái)行使功能,人們采用很多手段分析蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。而原子力顯微鏡在蛋白質(zhì)研究中的應(yīng)用成為電子顯微鏡、X射線結(jié)晶學(xué)和核磁共振技術(shù)的有力補(bǔ)充。膜蛋白的晶體結(jié)構(gòu)解析是國(guó)際公認(rèn)的難題,而光合作用相關(guān)蛋白歷來(lái)是植物學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)。如2004年,我國(guó)科學(xué)家成功解析了菠菜主要捕光復(fù)合物L(fēng)H-CⅡ晶體結(jié)構(gòu),這項(xiàng)成果引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注。
利用AFM原子力顯微鏡*早實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)光系統(tǒng)Ⅱ顆粒及光系統(tǒng)Ⅱ衍生物的觀測(cè)。Kernen等采用Langmui-Blodgett技術(shù)分離捕光復(fù)合物,借助原子力顯微鏡了解到在單分子蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)脂質(zhì)混合膜上存在類似環(huán)形的結(jié)構(gòu)。然而Trudel等利用AFM原子力顯微鏡和近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(SNOM)觀察吸附在二氯苯脲膜上的光系統(tǒng)Ⅱ中心復(fù)合物呈圓球狀,推斷前人所得環(huán)形結(jié)果的原因可能是由于力過(guò)大對(duì)樣品造成了一定的損傷。ATP合酶為較大的蛋白復(fù)合體,它磷酸化ADP生成ATP。Seelert等在25mmol.L-1MgCl2、10mmol.L-1Tris-HCl、pH7.8、室溫條件下對(duì)菠菜葉綠體ATP合酶亞基Ⅲ低聚物進(jìn)行原子力顯微鏡成像,結(jié)果表明這種低聚?0.3)nm,較寬的為(7.4?0.3)nm,而內(nèi)徑均為(3.5?0.3)nm,并且都存在14個(gè)亞基。他們又在脂雙分子膜片段上重建亞基Ⅲ低聚物,測(cè)得脂雙分子層的厚度為(4.1?0.2)nm,蛋白質(zhì)的厚度為(7.6?0.2)nm,低聚物圓環(huán)尺寸與以前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在室溫下,接觸模式觀察到完整的菠菜葉綠體ATP合酶的*大外徑同樣為(7.4?0.3)nm,不完整的ATP合酶為(7.3?0.3)nm,出現(xiàn)不完整的ATP合酶可能是由于使用SDS凝膠所致。水通過(guò)脂雙層膜所需的活化能大于細(xì)胞膜表面的活化能,由此產(chǎn)生了水通道假說(shuō)。Fotiadis借助掃描透射電子顯微鏡和AFM原子力顯微鏡觀察PM28A和PM28C兩種水通道蛋白亞型晶體,發(fā)現(xiàn)了兩種不同的類型,一種是P4212對(duì)稱,晶格矢量為a=b=(9.76±0.06)nm;一種是緊密堆積的四聚體六方晶格,晶胞的尺寸規(guī)格為a=b=(8.58±0.18)nm。對(duì)于其它蛋白質(zhì)的原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)也相繼進(jìn)行。
Leite等在液相下得到了Schizolobiumparahyba種子中的胰凝乳蛋白酶抑制劑低聚物的六角形、橢圓形、Z字型、彗星形、金字塔形共5種結(jié)構(gòu);Bittencourt等(2003)對(duì)一種植物胞漿蛋白Enterolobin的分子模型和AFM原子力顯微鏡圖像進(jìn)行比較,取得一致的結(jié)果;在親水表面測(cè)量玉米醇溶蛋白高度為40nm,粗糙度為6.97nm;疏水表面的蛋白高度均一,粗糙度為1.88nm;McIntire等采用非接觸模式分析了六倍體轉(zhuǎn)基因小麥高分子量麥谷蛋白亞基的結(jié)構(gòu);關(guān)于嘌呤吲哚蛋白基因PIN-a與二棕櫚酰磷脂酰膽堿相互作用的研究結(jié)果表明,DPPC單層膜較亮處為液體壓縮相,較暗處為液體擴(kuò)展相,加入PINa后LE與LC相發(fā)生顛倒,其中LE相有大量濃厚的網(wǎng)狀聚集,LC相出現(xiàn)眾多球形凸起。分子識(shí)別力學(xué)顯微鏡是一種特殊的原子力顯微鏡,應(yīng)用MRFM對(duì)豌豆血凝素、甘露醇結(jié)合血凝素和麥胚素3種植物血凝素的識(shí)別已獲得成功。