显微镜家族的新成员——原子力显微镜
作者：王黎明 李楠 周春喜
单位：解放军总医院医学实验测试中心，北京 100853
关键词：原子力显微镜
军医进修学院学报科学990329 中国图书资料分类法分类号 R 446.8
近些年，迅速发展起来的研究微观世界的微-纳米科学技术已成为国际高科技领域关注的热点，在微电子、微机械及纳米电子、纳米机械技术方面，微米级的加工技术在 1988 年已使硅片刻线宽度达 0.8 μm，芯片集成度达 4 Mb，从而进入超大规模集成时代，预计 2000 年以前，线宽可达 0.2～0.1 μm，芯片集成度达 1 Gb；国外采用最先进的IC技术能制作出毫米级以下的硅静电马达；扫描遂道显微术等技术的突破性进展又推动科研手段和应用技术的研究向微观世界大步前进，使物理化学、材料学、生命科学进入一个崭新的发展阶段。原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)所采用的正是当前科学技术最前沿的扫描遂道显微技术。
, http://www.100md.com
1 基本原理及先进性
AFM是 80 年代初问世的扫描探针显微镜(scanning probe microscope, SPM)的一种。1986 年，Dr.Binning因发明扫描探针显微镜而获得诺贝尔物理奖〔1〕。这种显微镜的放大倍数远远超过以往的任何显微镜：光学显微镜的放大倍数一般都超不过 1 000 倍；电子显微镜的放大倍数极限为 100 万倍；而扫描探针显微镜的放大倍数能高达 10 亿倍，比电子显微镜分辨率高 1 000 倍，可以直接观察物质的分子和原子，这就为人类对微观世界的进一步探索提供了理想的工具。
AFM的基本原理是〔2〕：用一根极尖锐的探针沿着样品表面扫描，从而绘制出样品的表面轮廓图像。由于探针的针尖尺寸只有原子那样大小，因而其分辨率能达到埃米级，能对从原子到分子尺度的结构进行三维成像和测量；另一方面，由于探针尖与样本接触时相互的作用力已超出万有引力的范畴，是通过对原子相互作用力的测量来成像，因而取名为原子力显微镜。
, 百拇医药
当代医学的发展已到了分子生物学广泛应用的年代，基因诊断和基因治疗成为各临床学科提高医疗水平的热点，人们需要对DNA，RNA进行分子水平结构、形态的直接观察，而AFN正可满足这种要求。
各种显微镜对其观察的样本有不同的要求，例如：电子显微镜的样品必须进行固定、脱水、包埋、切片、染色等一系列处理，因此电子显微镜只能观察死的细胞或组织的微观结构；激光扫描共聚焦显微镜的样品必须经过特殊的荧光染色，所以其应用受限于荧光探针技术的发展；原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质，在大气条件或溶液中都能进行，因而只需很少或不需对样品作前期处理，这样，就使AFM能观察任何活的生命样品及动态过程。近几年，原子力显微镜又开发了一系列新的探针和信息处理技术〔3～5〕，例如：采用最新的Tapping技术和Phase技术，能测试样品的硬度和弹性等；AFM还能产生和测量电化学反应。
AFM还具有对标本的分子或原子进行加工的力行为，例如：可搬移原子，切割染色体，在细胞膜上打孔等等。
, 百拇医药
综上所述，我们可以看出：原子级的高分辨率，观察活的生命样品，加工样品的力行为，这就是原子力显微镜的三大特点。
2 市场及应用情况
自 1987 年商品化的扫描探针显微镜推出以来，已有几千台SPM分布在世界各地，其中生物用原子力显微镜也已超过 400 台。目前原子力显微镜的生产厂家大约为 7～8 家，美国占 4～5 家。我国目前引进的AFM大约为 30 多台，大部分为美国DI(Digital Instruments)公司生产，还有美国Topo Metrix公司的产品。
市场上原子力显微镜主要用于各种原材料的结构研究，在工业领域，美国，日本等一些大企业(IBM、INTEL、富士公司)用AFM对大规模集成电路、CD盘、磁盘、胶片等精密材料进行质量检测；在生物技术和生命科学领域，原子力显微镜也得到广泛的应用〔6～10〕，AFM可对DNA、染色质结构、蛋白质/酶反应、蛋白质吸附、生物大分子细胞表面抗原和细胞内反应、细胞的运动和形态等进行原位成像。这使我们越发感到扫描遂道显微术发展的迅猛，以及它应用领域的宽广。
, 百拇医药
通过Medline医学情报检索，自 1993 年以来，已有 115 篇文献报道，其中美国占 65 篇，欧洲的德国、意大利等占 30 篇，我国有 1 篇。我国在生物及生命科学领域对原子力显微镜的应用也有 12 篇文献。
分析这些文献摘要后，我们看到：有 1/3 以上的文献是有关样品形态的观察，由最初的基础生物化学领域逐步发展为与医学、临床相关连的形态学研究，例如：观察人角膜与巩膜在不同状态下形态的差异；病人滑液中微晶的检测；尿毒症病人的红细胞的形态；探测毛细血管内膜等等。
有相当一部分文献是有关动力学的研究。AFM可以对活体样品进行动力学研究，包括对样品硬度、弹性、粘度、相互作用力的测量，例如：牙质的硬度、弹性的测量；微生物在外界刺激下的动态研究；人神经瘤细胞诱导分化中的变化；肝细胞分化与增殖的调节。其中有一个非常有趣的实验是猴子肾细胞受天花病毒感染的全过程的原子力显微镜观察，分辨率为 10 nm，过程是：在细胞上加一滴含有天花病毒的液体，细胞开始受到感染，几分钟后，细胞膜明显软化， 2～3 h 后，在细胞上观察到突起物， 6 h 后，突起物恶性膨胀，细胞被破坏。这一个实验生动地说明AFM可对样品进行动态监测，即可用于一个活体样品生理活动过程的研究，并以纳米分辨率成像，从而为临床医学的研究开辟了更广阔的领域。
, 百拇医药
还有一小部分文献是原子力显微镜的力行为，即运用AFM的技术进行染色体切割，核膜打孔，或对DNA链进行搬移和剪切等等。
3 在临床医学领域的应用前景
原子力显微镜是一项高新科学技术产品，就目前来说，用于临床医学是超前了一些。但是根据我们对AFM有关资料的分析、理解，AFM用于临床医学从技术上看是完全可能的；从文献的摘要分析，有些形态研究和动力学研究已涉及到临床医学，包括病理科、血液科、眼科、口腔科、神经内科、肾科、骨科、肝胆科、耳鼻喉科、心血管内科、临床检验科、微生物科。我们认为，一旦将AFM的技术应用于临床，将会对医学研究产生极大的促进作用，就如同电子显微镜对医学科学的影响一样。
原子力显微镜操作简便，对样品处理要求不高，不用包埋、切片，也不用对细胞进行染色，样本可在空气中或液体中直接观察，所以可检测的样品范围很广，配套设备很少，安装条件也比较简单，只需一间十几平方米的无菌、恒温机房即可。
, 百拇医药
虽然，我国目前引进的 30 多台扫描探针显微镜大都是用于物理、化学和生物学等基础科学研究，在医学研究方面还处于初级探索阶段，但是，可以肯定：原子力显微镜在医学科学领域的应用是极有前途的。
参考文献
1 Binning G, Quate CF, Gerber C. Atomic force microscopy. Phys Rev Lett, 1986，56:930
2 Kaneko R, Oguchi S, Hara S et al. Atomic force microscopy coupled with an optical microscope. Ultramicroscopy, 1992，42:1542
3 Umemura K, Arakawa H. High resolution images of a cell surface using a tapping mode atomic force microscope. Japan J Appl Phys, 1993，32:1711
, 百拇医药
4 Hutter JL, Bechhorfer J. Calibration of atomic-force microscope tips. Rev Sci Instrum, 1993，64:1868
5 Smith ST, Howard LP. Aprecision, low-force balance and its application to atomic force microscope probe calibration. Rev Sci Instrum, 1994，65:903
6 Sader J E, White L. Theoretical analysis of the static deflection of plates for atomic force imcroscope applications. J Appl Phys, 1993，74:1
7 Damer U. Binding strength between cell adhesion proteoglycans measured by atomic force microscopy. Science, 1995， 267:1173
, 百拇医药
8 Florin EL, Moy VT. Adhesion forces between individual ligand-receptor pairs. Science, 1994，265:415
9 Moy VT, Florin EL. Inermolecular force and energies between ligands and receptors. Science, 1994，93:256
10 Lee GU, Chrisey LA. Direct measurement of the forces between complementary strands of DNA. Science, 1994，266:771
(1998—10—15收稿，1998—12—20修回), http://www.100md.com
单位：解放军总医院医学实验测试中心，北京 100853
关键词：原子力显微镜
军医进修学院学报科学990329 中国图书资料分类法分类号 R 446.8
近些年，迅速发展起来的研究微观世界的微-纳米科学技术已成为国际高科技领域关注的热点，在微电子、微机械及纳米电子、纳米机械技术方面，微米级的加工技术在 1988 年已使硅片刻线宽度达 0.8 μm，芯片集成度达 4 Mb，从而进入超大规模集成时代，预计 2000 年以前，线宽可达 0.2～0.1 μm，芯片集成度达 1 Gb；国外采用最先进的IC技术能制作出毫米级以下的硅静电马达；扫描遂道显微术等技术的突破性进展又推动科研手段和应用技术的研究向微观世界大步前进，使物理化学、材料学、生命科学进入一个崭新的发展阶段。原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)所采用的正是当前科学技术最前沿的扫描遂道显微技术。
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1 基本原理及先进性
AFM是 80 年代初问世的扫描探针显微镜(scanning probe microscope, SPM)的一种。1986 年，Dr.Binning因发明扫描探针显微镜而获得诺贝尔物理奖〔1〕。这种显微镜的放大倍数远远超过以往的任何显微镜：光学显微镜的放大倍数一般都超不过 1 000 倍；电子显微镜的放大倍数极限为 100 万倍；而扫描探针显微镜的放大倍数能高达 10 亿倍，比电子显微镜分辨率高 1 000 倍，可以直接观察物质的分子和原子，这就为人类对微观世界的进一步探索提供了理想的工具。
AFM的基本原理是〔2〕：用一根极尖锐的探针沿着样品表面扫描，从而绘制出样品的表面轮廓图像。由于探针的针尖尺寸只有原子那样大小，因而其分辨率能达到埃米级，能对从原子到分子尺度的结构进行三维成像和测量；另一方面，由于探针尖与样本接触时相互的作用力已超出万有引力的范畴，是通过对原子相互作用力的测量来成像，因而取名为原子力显微镜。
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当代医学的发展已到了分子生物学广泛应用的年代，基因诊断和基因治疗成为各临床学科提高医疗水平的热点，人们需要对DNA，RNA进行分子水平结构、形态的直接观察，而AFN正可满足这种要求。
各种显微镜对其观察的样本有不同的要求，例如：电子显微镜的样品必须进行固定、脱水、包埋、切片、染色等一系列处理，因此电子显微镜只能观察死的细胞或组织的微观结构；激光扫描共聚焦显微镜的样品必须经过特殊的荧光染色，所以其应用受限于荧光探针技术的发展；原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质，在大气条件或溶液中都能进行，因而只需很少或不需对样品作前期处理，这样，就使AFM能观察任何活的生命样品及动态过程。近几年，原子力显微镜又开发了一系列新的探针和信息处理技术〔3～5〕，例如：采用最新的Tapping技术和Phase技术，能测试样品的硬度和弹性等；AFM还能产生和测量电化学反应。
AFM还具有对标本的分子或原子进行加工的力行为，例如：可搬移原子，切割染色体，在细胞膜上打孔等等。
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综上所述，我们可以看出：原子级的高分辨率，观察活的生命样品，加工样品的力行为，这就是原子力显微镜的三大特点。
2 市场及应用情况
自 1987 年商品化的扫描探针显微镜推出以来，已有几千台SPM分布在世界各地，其中生物用原子力显微镜也已超过 400 台。目前原子力显微镜的生产厂家大约为 7～8 家，美国占 4～5 家。我国目前引进的AFM大约为 30 多台，大部分为美国DI(Digital Instruments)公司生产，还有美国Topo Metrix公司的产品。
市场上原子力显微镜主要用于各种原材料的结构研究，在工业领域，美国，日本等一些大企业(IBM、INTEL、富士公司)用AFM对大规模集成电路、CD盘、磁盘、胶片等精密材料进行质量检测；在生物技术和生命科学领域，原子力显微镜也得到广泛的应用〔6～10〕，AFM可对DNA、染色质结构、蛋白质/酶反应、蛋白质吸附、生物大分子细胞表面抗原和细胞内反应、细胞的运动和形态等进行原位成像。这使我们越发感到扫描遂道显微术发展的迅猛，以及它应用领域的宽广。
, 百拇医药
通过Medline医学情报检索，自 1993 年以来，已有 115 篇文献报道，其中美国占 65 篇，欧洲的德国、意大利等占 30 篇，我国有 1 篇。我国在生物及生命科学领域对原子力显微镜的应用也有 12 篇文献。
分析这些文献摘要后，我们看到：有 1/3 以上的文献是有关样品形态的观察，由最初的基础生物化学领域逐步发展为与医学、临床相关连的形态学研究，例如：观察人角膜与巩膜在不同状态下形态的差异；病人滑液中微晶的检测；尿毒症病人的红细胞的形态；探测毛细血管内膜等等。
有相当一部分文献是有关动力学的研究。AFM可以对活体样品进行动力学研究，包括对样品硬度、弹性、粘度、相互作用力的测量，例如：牙质的硬度、弹性的测量；微生物在外界刺激下的动态研究；人神经瘤细胞诱导分化中的变化；肝细胞分化与增殖的调节。其中有一个非常有趣的实验是猴子肾细胞受天花病毒感染的全过程的原子力显微镜观察，分辨率为 10 nm，过程是：在细胞上加一滴含有天花病毒的液体，细胞开始受到感染，几分钟后，细胞膜明显软化， 2～3 h 后，在细胞上观察到突起物， 6 h 后，突起物恶性膨胀，细胞被破坏。这一个实验生动地说明AFM可对样品进行动态监测，即可用于一个活体样品生理活动过程的研究，并以纳米分辨率成像，从而为临床医学的研究开辟了更广阔的领域。
, 百拇医药
还有一小部分文献是原子力显微镜的力行为，即运用AFM的技术进行染色体切割，核膜打孔，或对DNA链进行搬移和剪切等等。
3 在临床医学领域的应用前景
原子力显微镜是一项高新科学技术产品，就目前来说，用于临床医学是超前了一些。但是根据我们对AFM有关资料的分析、理解，AFM用于临床医学从技术上看是完全可能的；从文献的摘要分析，有些形态研究和动力学研究已涉及到临床医学，包括病理科、血液科、眼科、口腔科、神经内科、肾科、骨科、肝胆科、耳鼻喉科、心血管内科、临床检验科、微生物科。我们认为，一旦将AFM的技术应用于临床，将会对医学研究产生极大的促进作用，就如同电子显微镜对医学科学的影响一样。
原子力显微镜操作简便，对样品处理要求不高，不用包埋、切片，也不用对细胞进行染色，样本可在空气中或液体中直接观察，所以可检测的样品范围很广，配套设备很少，安装条件也比较简单，只需一间十几平方米的无菌、恒温机房即可。
, 百拇医药
虽然，我国目前引进的 30 多台扫描探针显微镜大都是用于物理、化学和生物学等基础科学研究，在医学研究方面还处于初级探索阶段，但是，可以肯定：原子力显微镜在医学科学领域的应用是极有前途的。
参考文献
1 Binning G, Quate CF, Gerber C. Atomic force microscopy. Phys Rev Lett, 1986，56:930
2 Kaneko R, Oguchi S, Hara S et al. Atomic force microscopy coupled with an optical microscope. Ultramicroscopy, 1992，42:1542
3 Umemura K, Arakawa H. High resolution images of a cell surface using a tapping mode atomic force microscope. Japan J Appl Phys, 1993，32:1711
, 百拇医药
4 Hutter JL, Bechhorfer J. Calibration of atomic-force microscope tips. Rev Sci Instrum, 1993，64:1868
5 Smith ST, Howard LP. Aprecision, low-force balance and its application to atomic force microscope probe calibration. Rev Sci Instrum, 1994，65:903
6 Sader J E, White L. Theoretical analysis of the static deflection of plates for atomic force imcroscope applications. J Appl Phys, 1993，74:1
7 Damer U. Binding strength between cell adhesion proteoglycans measured by atomic force microscopy. Science, 1995， 267:1173
, 百拇医药
8 Florin EL, Moy VT. Adhesion forces between individual ligand-receptor pairs. Science, 1994，265:415
9 Moy VT, Florin EL. Inermolecular force and energies between ligands and receptors. Science, 1994，93:256
10 Lee GU, Chrisey LA. Direct measurement of the forces between complementary strands of DNA. Science, 1994，266:771
(1998—10—15收稿，1998—12—20修回), http://www.100md.com