AFM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。在一個對形變極為敏感的微懸臂(cantilever)的一端安裝納米級的針尖,掃描時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器的激光束發(fā)生微弱變化,繼而產(chǎn)生電壓差,最后將這些電壓信號轉(zhuǎn)換為圖像。AFM共由偏轉(zhuǎn)檢測系統(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(contactmode)和振蕩模式(oscillatingmode)兩種成像模式和一種力模式(forcemode)。使用接觸模式進行掃描時,針尖與樣品相互接觸,所成的圖像具有較高的分辨率,通常用來檢測樣品的物理屬性,由于剪切力的存在,對樣品有一定損傷,很少用于探測生物樣品。振蕩模式是靠聲學(xué)(tappingmode)或磁力(magneticalty)驅(qū)動,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,而是用來測量針尖與樣品表面之間相互作用力。探針是AFM的重要部件,探針的好壞直接決定著實驗的成敗。探針因生產(chǎn)廠家而異,主要有Si針尖、Si3N4針尖和最近幾年發(fā)展起來的碳納米管針尖(國立秋等,2003)等幾種類型。因為探針的形狀、力常數(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)實驗需要甄選。

DNA是生命體的主要遺傳物質(zhì),研究它的結(jié)構(gòu)和功能,有利于了解生命過程中遺傳信息的儲存和傳遞過程。Lindsay等(1989)率先用AFM對DNA分子進行了觀察。隨后,科研人員對DNA的AFM成像進行了大量的研究(Weisenhornetal.,1990;Hansmaetal.,1991)。現(xiàn)在關(guān)于DNA的實驗日臻完善,劉志國等(2005)運用了二價陽離子和3-aminopropyltriethoxysilane(APTES)修飾的云母來固定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;當使用較高濃度的DNA分子成像時,觀察到了DNA的網(wǎng)絡(luò);展示了一種簡單的伸展長鏈DNA分子的方法;討論了最佳的成像條件和AFM的操作技術(shù)并對各種固定DNA的方法進行了比較和評估。

植物細胞中含有成百上千種蛋白質(zhì),占細胞干重的比例僅次于纖維素,是植物細胞的重要組成部分。蛋白質(zhì)通過結(jié)構(gòu)的改變——構(gòu)象的變化來行使功能,人們采用很多手段分析蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。而AFM在蛋白質(zhì)研究中的應(yīng)用成為電子顯微鏡(EM)、X射線結(jié)晶學(xué)(Xraycrystallography)和核磁共振(nuclearmagneticresonance,NMR)技術(shù)的有力補充。膜蛋白的晶體結(jié)構(gòu)解析是國際公認的難題,而光合作用相關(guān)蛋白歷來是植物學(xué)家們關(guān)注的焦點。如2004年,我國科學(xué)家成功解析了菠菜(Spinaciaoleracea)主要捕光復(fù)合物LH-CⅡ晶體結(jié)構(gòu),這項成果引起了國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注(Liuetal.,2004)。利用AFM最早實現(xiàn)了對單個光系統(tǒng)Ⅱ顆粒及光系統(tǒng)Ⅱ衍生物的觀測(Lyonetal.,1993;Shaoetal.,1997)。Kernen等(1998)采用Langmui-Blodgett(LB)技術(shù)分離捕光復(fù)合物,借助AFM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(2001)利用AFM和近場光學(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(PSⅡCC)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大對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(2000)在25mmol.L-1MgCl2、10mmol.L-1Tris-HCl、pH7.8、室溫條件下對菠菜葉綠體ATP合酶亞基Ⅲ低聚物進行AFM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個亞基。他們又在脂雙分子膜片段上重建亞基Ⅲ低聚物,測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)尺寸與以前的實驗結(jié)果一致(Seelertetal.,2003)。在室溫下,接觸模式觀察到完整的菠菜葉綠體ATP合酶的最大外徑同樣為(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(Mulleretal.,2001)。水通過脂雙層膜所需的活化能大于細胞膜表面的活化能,由此產(chǎn)生了水通道假說。Fotiadis等(2001)借助掃描透射電子顯微鏡(STEM)和AFM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。對于其它蛋白質(zhì)的AFM實驗也相繼進行。Leite等(2002)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)對一種植物胞漿蛋白Enterolobin的分子模型和AFM圖像進行比較,取得一致的結(jié)果;在親水表面測量玉米醇溶蛋白(zein)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(Wangetal.,2004);McIntire等(2005)采用非接觸模式分析了六倍體轉(zhuǎn)基因小麥(Triticumaestivum)高分子量麥谷蛋白亞基的結(jié)構(gòu)(high-molecular-weightgluteninsubunits,HMW-GS);關(guān)于嘌呤吲哚蛋白基因PIN-a與二棕櫚酰磷脂酰膽堿(DPPC)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(liquidcondensedphase,LC),較暗處為液體擴展相(liquidexpandedphase,LE),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(Dubreiletal.,2003)。分子識別力學(xué)顯微鏡(MRFM)是一種特殊的AFM,應(yīng)用MRFM對豌豆(Pisumsativum)血凝素(Pisumsativumlectin,PSL)、甘露醇結(jié)合血凝素(mannan-bindinglectin,MBL)和麥胚素(wheat-germagglutinin,WGA)3種植物血凝素的識別已獲得成功(Kleinetal.,2003)。