扫描隧道显微镜——打开人体微观世界的新钥匙

人们尽管有了电镜，但对微观世界的认识还远远不够，还有大量的难题迫切需要获得更深层次的细微结构的认识，因此对微观世界的探索永无止境。电子工程师想设计出厚度仅为几十个原子的电路图；材料学家要考察晶体中原子尺度上的缺陷；医学领域则迫切了解单个蛋白质分子、单个DNA分子的结构正常与否。在这种巨大驱动力的背景下，一种新的认识微观世界的工具诞生了。1985年由IBM公司的Binning和Kohrer研制出了一种新型显微镜－扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy,STM）。STM一问世就以其独特的理论和应用潜力引起了多学科的浓厚兴趣，1986年获诺贝尔物理奖，1987年开始广泛应用，1989年召开了第一届国际STM会议。1990年我国也首次应用STM观察到了DNA链的螺旋结构（在此之前DNA的结构模式图是由化学方法推倒出来的）。STM已经无可非议地成为人们认识微观世界的又一次飞跃，在医学领域中也必然带来认识到原子水平的新阶段。  

STM的基本原理是采用一根尖端磨得非常之细的钨探针，可能只有一个原子的宽度（0.2nm），通过压电控制装置，是探针尖端在被检测标本的表面1－2nm范围内移动。由于探针与标本紧贴，以致探针尖端上那颗原子的电子云与标本表面上被测原子电子云发生重迭。这时在探针尖端加一个小电压，电子流就会通过隧道效应穿过尖端与标本间的空隙，产生一股微小的隧道电流。由于任何标本的表面都不可能完全平面，这是因为标本表面的原子结构所决定其具有一定的立体图形。而隧道电流强度的大小主要取决于探针与标本间距离的大小，如果距离增加0.1nm（即原子直径的一半），隧道电流的强度则会降低90%。记录这一隧道电流的变化，经计算机处理，绘制成图像，从而打开了多少年来人们梦寐以求的直接观察原子结构的目标。

STM一问世，生物医学领域就迅速应用于分子结构的观察。目前应用STM不仅可以描绘出氨基酸分子中碳、氢原子的关系，而且已经直接观察到DNA链螺旋结构的图像、碱基对的精细结构、螺旋的直径为2nm、在十个碱基对3-4nm长再一次螺旋重复等，这些激动人心的发现无疑对生命的关键结构中迷茫现状的澄清提供了必备的条件，随之而来的必将是一场新的变革性的飞跃。又比如对IgG结构的观察，STM可直接显示Y型外形，两个Gab端和一个Fc端及铰链区，Fab端长8-9nm、宽5-7nm、Fc端长12-14nm、宽6-7nm、在Fab及Fc端发现了小球形结构，在种小球结构可能正是抗体的功能区。这对揭示免疫反应机理的实质又提供了独特的方便之门。还有对细胞膜、质膜的观察等都在一个个层出不穷的新发现之中。

虽然STM问世才短短5年，但其在生物医学上应用的巨大潜力已明示在我们的面前，对人体疾病的探索从肉眼观察的水平到光学显微镜观察的细胞水平再到电子显微镜观察的超微结构水平的发展程中，每一步前进虽然都带来过一次飞跃，但我们人类面临着疾病的威胁还远远不能达到理想的征服水平。还有大量的临床难题没有解决，而这些难题的攻克远不是现有的认识能力能够达到的，还必需向更深一步的微观世界进行探索，因此，STM的广泛应用，使我们进入到疾病的原子水平的认识上，应用这一把微观世界的钥匙，打开疾病中数不清奥妙大门的日子已经离我们越来越近了。