原子力顯微鏡（AFM)不僅僅能對單個分子進行觀測，而且還能對單個分子 進行自由操縱[5]。到目前為止AFM的研宄已從原子、小分子、有機分子、高分 子直至生物分子，涉及到生物技術、微探測及納米技術、微電子技術、實際生產 等方面，其在物理、化學、醫學、材料學以及微電子學等方面都有廣泛的應用前 景，特別是在生物大分子的觀察與操縱方面已經取得了很大進展。AFM的突出有 以下幾個特點：一是原子力顯微鏡的樣品制備方便，不需要特別的制備過程，比 電子顯微鏡（EM)對生物樣品的破壞小的多；二是原子力顯微鏡不僅能夠在空 氣中操作，而且也能夠在真空中，甚至在液體環境下都能進行操作，因此可以對 生物樣品進行在生理條件下直接成像，并且在生物樣品不會造成很大的損害；三 是原子力顯微鏡掃描樣品的時候比較短，對樣品不會造成很大損害，因此我們可 以利用這一特性，對樣品表面可以進行原位（in situ)進行實時的觀測；四是原 子力顯微鏡的分辨率較高，能夠對生物樣品達到分子水平上的三維圖像，目前為 止可以到達原子級別的分辨；五是原子力顯微鏡的發展可以再納米結構的尺寸下 對樣品表面進行局部觀測特性，例如原子間力距測量，物質的表面電荷密度，特 性系數和粘滯力等等；六是利用原子力顯微鏡可以對生物活樣品進行納米尺度下 的操作等等。尤其是最近幾年，原子力顯微鏡和其他儀器聯合，已經取得了很大 的進展，原子力顯微鏡得到如此廣泛的應用，這與它本身獨特優勢是分不開的。 正因為原子力顯微鏡有上面那么多的優點，所以在生命科學領域內原子力顯微鏡 已經成為了以個必不可少的工具。

原子力顯微鏡已經在生命科學領域的得到了廣泛的應用[6]。本節將按照按照 AFM的研宄對象分三個部分對原子力顯微鏡在生命科學領域的主要應用簡單的做 一下概述。

自從Lindsay等人首次用AFM獲得DNA分子的圖像以來，AFM已經成為

了研宄DNA分子的重要工具。Hansma等首次在丙醇中得到了質粒DNA可重復 的AFM圖像，他們通過AFM切割遺傳物質脫氧核糖核酸分子的指定的位置，這 是人們第一次利用AFM對生物分子進行的可控制性的納米操縱[7]。隨后它在生 物膜的切割、待研宄分子的分離[8]等方面也得到廣泛的應用。vesenka等人 [9]在大氣的環境下獲得了脫氧核糖核酸的重復性的AFM圖像。最近幾年以來， 通過改善AFM樣品制備方法，改進探針針尖的分子修飾，更重要的是我們通過 TM-AFM成像，一些科研工作者獲得超分辨的DNA以及DNA的復合物的圖像 [10-14]。由于DNA是直接關系到遺傳過程中在轉錄和翻譯的過程，因此研宄 DNA分子顯得尤為重要，Matthias等人[15]通過用修飾過的原子力顯微鏡的探 針針尖，把固定在金表面的單個雙螺旋結構的DNA分子拉伸，通過多次的拉 伸，統計處了 DNA分子的力曲線。目前，原子力顯微鏡還不能解決DNA分子的 核苷酸的序列，但是通過原子力顯微鏡已經研宄出了高級DNA與蛋白質的復合 物[16],并且可以研宄單個DNA分子的長度、寬度和高度。Martin等[17]用AFM 實時觀察到了環狀和棒狀DNA聚合體的組裝的動態過程，以及DNA聚合體的運 動和結構的變化過程。

首先用原子力顯微鏡研宄的蛋白質是halobacterium halobim的紫膜上的視紫 紅蛋白[18],經過分析可以看出：視紫紅蛋白在膜上成二維的六角形排列，每個 六角形為一個晶胞，晶胞間距為6.2nm，相當于視紫紅三聚體。對于以一些游離 蛋白質，科學家們也在這方面獲得了很大的成功，已經用原子力顯微鏡研宄了一 些游離蛋白質，像膠原蛋白、免疫蛋白、肌動蛋白、蛋白聚合酶和巨球蛋白等等 [19-23]。由于AFM能在液體和近生理條件下獲得高分辨的形貌圖，因此在蛋白 的成像方面得到了廣泛的應用，主要有：研宄蛋白分子形狀的改變[28-30]，觀 察蛋白質的微觀內部構造[24-27]，探索蛋白質的動力學過程[32-34]，實時觀測 蛋白質的自組裝過程[31-32]，進行原子力顯微鏡的單分子操縱[36]、檢測蛋白 質的表面特性[35]等。鑒定蛋白質的結構[24-27]，觀察蛋白分子構象的變化 [28-30]，研宄蛋白分子的組裝[31-32]了解蛋白的功能[32-34]、探測蛋白質表 面的靜電特性[35]，控制和操縱單個蛋白分子[36]等。

原子力顯微鏡在多糖研宄方面相對來講比較晚一些，我們知道多糖一般都具 有很大的分子量，支鏈較多，在溶解方面非常不容易，均一性較差，因此得到的 原子力顯微鏡的形貌圖也往往比較差，分辨率達不到。但是在最近的幾年時間 內，用原子力顯微鏡研宄多糖的聚集體比較多[37-39],在多糖的研宄方面取得了 很大的進展。

Kirby等人[40]在溶液的狀態下對多糖黃原膠分子和acetan分子，并且對植 物多糖角叉聚糖和果膠進行原子力顯微鏡成象進行了對比。馬秀俐等人[41]利用 原子力顯微鏡觀測到西洋參多糖的分子鏈為多股形狀并且緊密并行螺旋排列，每 股螺旋直徑約為200-250nm左右。然而進一步多糖中支鏈在主鏈上的結合情況以 及其對整個多糖分子構型的影響和對纖維素衍生物的單晶結構的做了進一步的研 宄報道。Kirby等人[42]和Round等人[43,44]分別利用原子力顯微鏡研宄了果膠 多糖的的支鏈結構和相互交織的網狀結構。支鏈的存在直接會影響果膠多糖的粘 度性質，即便在很低的濃度下，仍然可以看到單個聚集體的存在。上面的一些實 驗都能通過AFM清楚的得到多糖的高分辨的圖象，這些一般利用電子顯微鏡是 不易觀察到的。