AFM可以在生理狀態(tài)下觀察任何活的生命樣品和動態(tài)過程,主要有生物大分子之間的生化反應過程、病毒對細胞的感染過程、蛋白質的結晶析出等等,已被廣泛地應用到生物樣品中。

觀察生物大分子之間的生化反應過程,對于研究生物的結構與功能有很大的幫助,有很多實驗動態(tài)觀察了DNA復制、轉錄和蛋白質的翻譯過程,有些實驗則觀察DNA、RNA與酶結合過程,使人們對這些生化反應有了更進一步的了解。此外,AFM可以清晰地看到RNA聚合酶在DNA模板中運動,這種技術用于更大的分子,將會提高特異治療藥物插入的幾率,那樣很多疑難疾病的治療就成為可能。病毒對細胞的感染是一個很典型的例子,應用AFM已觀察了痘苗病毒感染單個細胞的過程。將痘苗病毒加入培養(yǎng)液后,細胞變得光滑柔軟,在這種狀態(tài)下病毒易于穿過細胞膜。

蛋白質從溶液中結晶析出也是一個十分值得關注的領域,人們采用AFM研究了溶菌蛋白、刀豆蛋白、Thaumatin蛋白、α2milase蛋白分子和過氧化氫酶的結晶情況。這些研究有助于人們更加深入地理解蛋白質晶體的生長動力學和成核機理。

用于各種生物力學的研究:將很高的空間分辨率與敏感且準確的力學感應性相結合,是AFM的一個極為顯著的特點。通過將探針連接在彈性系數(shù)很小的懸臂上,AFM對力的測量敏感性可達到pN水平。AFM已經(jīng)廣泛用于測量生物分子間的相互作用,如核酸與蛋白質的相互作用、酶與底物的相互作用、抗原與抗體間的相互作用、受體與授體間的相互作用以及藥物小分子和靶向中心的相互作用等。AFM力譜技術發(fā)展也比較快。利用AFM單分子力譜技術系統(tǒng)研究人工和天然短鏈DNA分子的開鏈行為,表明該技術可以分辨10個堿基對的特定相互作用力的變化情形。利用此技術已檢測到單堿基突變引起的不同作用力,為定量表征和解釋DNA單個序列提供了非常有價值的熱力學模型。

利用AFM可對掃描各點的高度及作用力進行測量,這樣不僅可以獲取生物樣品的表面形態(tài)和三維結構,還可以得到其表面硬度、粘彈性、摩擦力等力學特性的表面圖譜。AFM在掃描樣品時,探針尖端作用于樣品,使樣品產生可測量的凹陷,當應力與應變力呈線性關系時,樣品發(fā)生的變形屬彈性變化,撤消力時樣品可恢復原有形態(tài),利用凹陷的深度數(shù)據(jù),就能夠獲取有關樣品局部的彈性信息。利用AFM已測量了支氣管上皮和肺泡上皮細胞在不同負荷力和作用頻率下的復剪切彈性系數(shù),觀察了其變化規(guī)律。

AFM懸臂本身就是一種非常靈敏的傳感器,能夠監(jiān)測生物傳感器表面生物分子間的相互作用。利用AFM力譜能夠響應濃度最低為10-18mol/L數(shù)量級的生物分子,這比傳統(tǒng)的檢測技術提高了8個數(shù)量級。AFM力譜的這種超高靈敏度,也為解決“監(jiān)測單個生物分子及其絡合物的結合與解離”的難題帶來了希望。此外,人們經(jīng)常利用生物分子功能化的AFM懸臂識別與樣品中具有特定相互作用的相關分子。

用于生物樣品的納米操縱:目前原子、分子的納米操縱已進入到生物大分子層次。對生物大分子的納米操縱,不僅可以獲得生物大分子特性的新信息和新的生物學方法,也為生物大分子的應用展示了更為廣闊的前景。

與標準顯微切割技術相比,AFM對目標區(qū)域切割、提取等操作具有更準確的特點。1992年人類首次使用AFM對生物分子進行可控性納米操縱,隨后它在生物膜的切割、待研究分子的分離等方面也得到廣泛應用。到目前為止,我國科學家已實現(xiàn)了對DNA分子的人工拉直操縱,并可以把DNA排布成納米尺度的二維網(wǎng)格,在此基礎上,利用改進的“分子梳”方法,首次實現(xiàn)了復雜的體系———一種線性噬菌體病毒的人工拉直與定向。這種操縱是在大面積平整的固體表面實現(xiàn)的,并利用原子力顯微鏡,對拉直前后的病毒進行了觀察與測量。

由于AFM的高分辨率以及可在生理條件下操作等優(yōu)勢,已經(jīng)成為生物研究中不可或缺的工具。但是原子力顯微鏡在擁有諸多優(yōu)點的同時,也存在一定的局限性。

首先,錐形針尖在使用過程中會變鈍,尖端增寬,會導致分辨率下降,為了保證分辨率,就必須經(jīng)常更換針尖。在觀察樣品后(尤其是液態(tài)中觀察),針尖會被樣品污染,再次使用需要清洗,并且針尖會對生物樣本造成損傷。目前有一種解決方法是使用碳納米管針尖,由于碳納米管直徑小,楊氏模量大,力學強度高,結構精細,并具有獨特的化學特性,而成為理想的探針材料,已廣泛應用于生物分子、生物結構等研究領域。

其次,在觀察液態(tài)標本時,由于表面張力和靜電斥力等因素會產生干擾信息,使得分辨率下降。為了解決這一問題,有實驗室提出改變溶液pH值可清除靜電斥力,但有明顯的局限性。采用靜電平衡法可解決這一問題。

最后,由于AFM本身的局限性,很多功能必須與其它設備結合。對于紛繁復雜的生命系統(tǒng),僅靠一種設備顯然是不夠的,AFM必須與其它設備或技術手段如近場顯微鏡、電子顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、熒光顯微技術、X2射線衍射、抗體標記、表面干涉等有機結合,方能更有效地探索各種生命系統(tǒng)。綜上所述,隨著原子力顯微鏡的發(fā)展,如針尖技術的改進,表面張力、靜電斥力等測量因素的消除,以及與其它設備的結合等,AFM必將在生物領域發(fā)揮更大的作用。