原子力显微镜在生命科学与材料研究中的重要价值
原子力显微镜以其操作方便，对样品处理要求不高，原子级分率低，样本可在空气中成者液体中直接观察，可检测的样品范围广等优点，赢得了越越广阔的应用，利用AFM可以观察生物制品的形态结构、检测生物力、观察品体的三结构及插体的生长等，这势必会进一步推动生命科学，材料科学的一步发展。
一、生命科学中的应用
1）用于形态结构的观察
由于AFM具有光学显微镜所不具备的高分辨率，同时又不需扫描电子显微镜的严格制样要求。AFM已广泛地应用于细胞、蛋白质、核酸等生物形态结构的研究。
目前，生物学家们已经利用AFM研究活细胞或固定的细胞，如红细胞、白细胞等，获得了丰富的信息。对于单个细胞而言，AFM不但能够提供长度、宽度、高度等形态方面的信息，而且可以满足人们对膜上的离子通道、丝状伪足、细胞间连接等细微结构研究的要求，甚至还可清楚地观察到膜本身的骨架结枃。这些对于进步研究细胞表面及表面以下结构相互作用很有启发性。
AFM还可以观察蛋白质的细微结构，测算复合物中蛋白质的大小，最早用AFM研究的膜蛋白是 halo bacterium halobim的紫膜上的视紫红蛋白，得到视紫红蛋白在膜上呈二维的六角形排列。AFM还比较成功地观察了肌动蛋白、血纤维蛋白原，胶元蛋白，免应球蛋白等游离蛋白质分子，随着深针技术的不断改进，观测到了肌动蛋白分子的螺旋构造，通过AFM对肌动蛋白聚合、解聚、破裂、弹性系数变化等过程的观察，进步证实肌动蛋白的网络结构对于活细胞的稳定性起决定作用。
2）用于动态过程的研究
AFM可以在生理状态下观察任何活的生命样品和动态过程，主要有生物大分子之间的生化反应过程、病毒对细胞的感染过程、蛋白质的结晶析出等等，已被广泛地应用到生物样品中。
观察生物大分子之间的生化反应过程，对于研究生物的结构与功能有很大的帮助，有很多实验动态观察了DNA复制、转录和蛋白质的翻译过程，有些实验则观察DNA、RNA与酶结合过程，使人们对这些生化反应有了更进一步的了解，此外，AFM可以清晰地看到RNA聚合酶在DMA模板中运动，这种技术用于更大的分子，将会提高特异治疗药物插人的几率，那样很多疑难疾病的治疗就成为可能。
病毒对细胞的感染是一个很典型的例子，应用AFM已观察了痘节病毒感染单个细胞的过程。将痘苗病毒加人培养液后，细胞变得光采软，在这种状态下病毒易于穿过细跑膜。
蛋白质从溶液中结品析出也是一个分值得关注的领域，人们采用AFM研究溶菌蛋白、刀豆蛋白、TEuvEaLit和过氧化氢测得的情况，这些研究有助于人们更加深入地理解蛋白质晶体的生长动力学和成核机理。
３）用于各种生物力学的研究
将很高的空间分辨率与敏感且准确的力学感应性相结合，是AFM的一个极为显著的特点。通过将探针连接在弹性系数很小的悬臂上，AFM对力的测量敏感性可达到ｐＮ水平。AFM已经广泛用于测量生物分子间的相互作用，如核酸与蛋白质的相互作用、酶与底物的相互作用、抗原与抗体间的相互作用、受体与授体间的相互作用以及药物小分子和靶向中心的相互作用等。AFM力谱技术发展也比较快。
利用AFM单分子力谱技术系统研究人工和天然短链DNA分子的开链行为，表明该技术可以分辨10个碱基对的特定相互作用力的变化情形，利用此技术已检测到单碱基突变引起的不同作用力，为定量表征和解释DA单个序列提供了非常有价值的热力学模型。
利用AFM可对扫描各点的高度及作用力进行测量，这样不仅可以获取生物样品的表面形态和三维结构，还可以得到其表面硬度、粘弹性、摩擦力等力学特性的表面图谱。AFM在扫描样品时，探针尖端作用于样品，使样品产生可测量的凹陷，当应力与应变力呈线性关系时，样品发生的变形属弹性变化，撤消力时样品可恢复原有形态，利用凹陷的深度数据，就能够获取有关样品局部的弹性信息，利用AFM已测量了支气管上皮和肺泡上皮细胞在不同负荷力和作用频率下的复剪切弹性系数，观察了其变化规律。
４）用于生物样品的纳米操纵
目前原子，分子的纳米操纵已进人到生物大分子层次。对生物大分子的纳米操纵，不仅可以获得生物大分子特性的新信息和新的生物学方法，也为生物大分子的应用展示了更为广阔的前景。与标准显微切割技术相比，AFM对目标区域切割、提取等操作具有更准确的特点。1992年人类首次使用AFM对生物分子进行可控性纳米操纵，随后它在生物膜的切割、待研究分子的分离等方面也得到广泛应用，到日前为止，我国科学家已实现了对DA分子的人工拉直操纵，可以把DNA排布成纳米尺度的维网格，在此基础上，利用改进的“分子梳”方法，首次实现了复杂的体系――一种线性噬菌体病毒的人工拉直与定向，这种操纵是在大面积平整的固体表面实现的，并利用原子力显微，对拉直前后的形毒进行了观察与测量。
二、在材料科学中的应用
1）三维形貌观测
通过检测探针与样品间的作用力可表征样品表面的三维形貌，这是AＦM最基本的功能。AFM在水平方向具有0.102m的高分辨率，在垂直方向的分辨率约为0.01m，尽管AM和扫描电子显微镜（SEM）的横向分辨率是相似的，但AFM和SEM两种技术的最基本的区别在于处理试样深度变化时有不同的表征。由于表面的高低起伏状态能够准确地以数值的形式获取，AHM对表面整体图像进行分析可得到样品表面的粗糙度、颗粒度、平均梯度、孔结构和孔径分布等参数，也可对样品的形貌进行丰富的三维模拟显示，使图像更适合于人的直观视觉。
2）纳米材料与粉体材料的分析
当今时代，纳米材料是材料领域关注的重要课题，而纳米科学的不断成长和发展是与以扫描探针显微镜（SPM）为代表的多种纳米尺度的研究手段的产生和发展密不可分的。可以说，SPM的相继问世对纳米科技的诞生与发展起了根本性的推动作用，而纳米科技的发展又为SPM的应用提供了广阔的天地，SPM是一个包括扫描隧道显微术（SM）、原子力显微术（AFM）等在内的多种显微技术的大家族。SPM不仅能够以纳米级甚至是原子级空间分辨率在真空、大气或液体中来观测物质表面原子或分子的几何分布和态密度分布，确定物体局域光、电、磁、热和机械特性，而且其有广泛的应用性，如刻划纳米级微细线条、甚至实现原子和分子的操纵。这一集观察、分析及操作原子分子等功能于一体的技术已成为纳米科学研究中的主要工具。
3）成分分析
AFM不能进行元素分析，但它在 Phase Image模式下可以根据材料的某些物理性能的不同来提供成分的信息。
4）晶体生长方面的应用
原子力显微镜为我们提供了一个原子级观测研究晶体生长界面过程的全新有效工具。利用它的高分辨率和可以在溶液和大气环境下工作的能力，为我们精确地实时观察生长界面的原子级分辨图像、了解界面生长过程和机理创造了难得的机遇。
5）在薄膜技术中的应用
随着膜技术的蓬勃发展，人们力图通过控制膜的表面形态结构，改进制膜的方法，进而提高膜的性能。1988年，当AFM发明以后，A1brecht等人首次将其应用于聚合物膜表面形态的观测之中，为膜表面形态的研究开启了一扇新的大门。
AFM在膜技术中的应用相当广泛，它可以在大气环境下和水溶液环境中研究膜的表面形态，精确测定其孔径及孔径分布，还可在电解质溶液中测定膜表面的电荷性质，定量测定膜表面与胶体颗粒之间的相互作用力，无论在对哪个参数的测定中，AＦM都显示了其他方法所没有的优点，因此，其应用范围迅速增长，已经迅速变成膜科学技术中发展和研究的基本手段。
AFM在膜技术中的应用与研究主要包括以下几个方面：
a.膜表面结构的观察与测定，包括孔结构、孔尺寸、孔径分布；
b.膜表面形态的观察，确定其表面粗糙度；
c.膜表面污染时的变化，以及污染颗粒与膜表面之间的相互作用力，确定其污染程度；
d.膜制备过程中相分离机理与不同形态膜表面的之间的关系。
文章链接：仪器设备网 https://www.instrumentsinfo.com/technology/show-3414.html
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