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在生物學及生命科學研究中，各種顯微鏡是不可少的工具。列文虎克發明的簡單顯微鏡推開了人類對微生物觀察的大門，顯微學的發展隨著顯微工具的進步而深入。光學顯微鏡利用激光共聚焦技術將分辨率逼近了可見光波長的一半，電子顯微鏡進一步將其提高到納米級別。但是對于生物學和生命科學而言，二者都無法完全滿足應用需求。對于細胞微觀結構和生物大分子，光學顯微鏡的分辨率不足；而電子顯微鏡雖然有效提高了觀察能力，但嚴格要求真空環境，無法在細胞及生物大分子的活性狀態（液體環境）中使用。

原子力顯微鏡的問世，成功解決了在高分辨率與液體環境觀測之間難以兼得的難題。作為一種三維形貌觀察工具，原子力顯微鏡不僅具備超高分辨率，而且支持在液體環境下工作，是一種理想的生命科學/醫學觀測設備。除了形貌觀察外，原子力顯微鏡還可以對多種表面屬性進行定量觀測。例如，基于力學測試的表面機械性能測試。這些性能為原子力顯微鏡應用于細胞和生物分子研究提供了技術基礎。

1細胞學研究

利用原子力顯微鏡進行活細胞觀察，得到的是貼壁細胞的真實形貌。相對于光學顯微鏡僅能得到投影面積，原子力顯微鏡可獲得細胞表面積和體積數值，這兩個數值更能反應細胞的生長發育階段，有利于判斷其活性狀態。

2007年發明的誘導式多能性干細胞(iPS)技術有效排除了實驗的倫理風險，是非常有潛力的干細胞技術。iPS轉化過程中，會有一定的幾率發展為癌細胞。不同體細胞來源的iPS細胞成瘤性有差異。可以使用原子力顯微鏡對未分化的iPS細胞和HeLa細胞進行觀察比較，有效分析細胞狀態。HeLa細胞是一種被廣泛使用的癌變細胞，因此可以和iPS細胞進行對比觀察。

上圖顯示了SPM形狀圖像(a)HeLa細胞和(b)iPS細胞。用光學顯微鏡觀察到的相應相位差圖像分別顯示在(c)和(d)中。圖中箭頭所示位置處的截面形狀輪廓如(e)和(f)所示。

從細胞形態上來看，HeLa細胞呈圓頂形，表面隆起比較高，約7um；而iPS細胞呈扁平狀且細胞間粘附呈網狀結構，細胞高約1.7um。仔細觀察細胞之間的邊界，可以看出HeLa細胞之間的邊界呈凹陷狀，而iPS細胞之間的邊界是凸起的，而且呈網絡狀。據此可分析得知這兩種細胞各自的間粘附具有差異，且HeLa細胞之間的粘附較弱，而iPS細胞之間的粘附較強。

除了形貌觀察外，原子力顯微鏡還可以通過力學測量獲得細胞表面的機械性能。使用彈簧常數為0.15N/m的OMCL-TR800PSA探針，在培養液環境中對活細胞進行測試。對細胞的最終壓力(排斥力)為2.5nN。通過比較從探針與樣品接觸的位置到達到2.5nN的力的變化，確定樣品的硬度。

(a)和(b)顯示了SPM觀察到的HeLa和iPS細胞的細胞形狀圖像，(c)和(d)顯示了相應的ZX斷面圖像，是從樣品豎截面方向看時在(a)和(b)中箭頭所示的X線位置處施加到探針的力的圖像。圖中上方為測量起點，下方白色虛線為壓觸終點，顯示了樣品截面形狀輪廓。

在ZX圖像中，探針與樣品接觸后檢測到力的位置以黃色到紅色的顏色顯示。因為這表明探針對細胞的變形，所以可以理解較大量的細胞變形顯示細胞的較軟部分。可以從細胞變形量了解硬度。(c)中的HeLa細胞顯示出均勻的變形，但相比之下，在(d)中的iPS細胞中，細胞體較軟，細胞間粘附區較硬。

分析結果表明，HeLa細胞表面硬度比較均勻，軟硬部分差別不大，而iPS細胞主體較軟，細胞間粘附區較硬。

2生物大分子的高分辨觀察

生物大分子一般尺度在幾個納米到幾十個納米之間，原子力顯微鏡在這個范圍的納米分辨能力也是非常適合的。例如DNA是經常會被觀測的一種樣品，使用基于調幅的輕敲/動態模式，一般只能看清鏈狀結構。

液體環境下輕敲模式掃描DNA鏈

這種模式受懸臂梁振動質量因子（Q值）的影響非常大，在液體環境中，因為液體對懸臂梁的粘滯阻力，導致Q值急劇降低，從而使分辨率變差。而調頻模式受此影響較小，可以對緩沖溶液或者培養液環境下的生物大分子進行超高分辨的觀測，獲得接觸模式或者輕敲模式無法達到的超高分辨率。

同樣是觀察DNA雙螺旋鏈，使用調頻模式，可以清晰地分辨雙螺旋結構，雙螺旋結構形成的大溝小溝結構也非常明顯。

更細致地觀察一個螺距，還可以分辨表面的堿基數目。

對相鄰兩個螺旋的剖面圖進行分析，觀察到的堿基數量與理論值完全符合。這說明調頻模式在液體環境中，對柔軟的生物樣品觀察，依然可以達到基團級別的分辨率。

3生物醫藥應用

生命科學的快速發展直接推動了生物醫藥領域的進步，諸多科研成果轉化為治療疾病的有效手段。

外泌體和微泡是醫學和免疫學的前沿研究熱點。然而，對于它們的三維形態和膜的物理性質還有許多方面的認識尚不清楚。外泌體因為其單層膜的性質，所以非常軟，對使用原子力顯微鏡測試提出了極高的要求。

以上兩幅圖就是在生理鹽水環境中不同尺寸的外泌體，其外徑從20nm到140nm不等，表面極其柔軟，楊氏模量一般只有幾千Pa。

脂質體包裹藥物是藥物輸運系統（DDS）的一個重要分支。利用不同的包裹分子，可以實現藥物的定點投送，有利于提高受體結合特異性和減少用藥濃度。

利用原子力顯微鏡可以在液體環境中對包裹體小球形態進行觀察。

此外，作為精密的力檢測工具，還可以利用原子力顯微鏡對包裹體顆粒與液體的固液界面進行觀測，獲得界面處力梯度分布。這項研究有利于分析不同的包裹分子在液體環境中的自體維持能力和特異位點親和能力，因此是一種很有效的分析工具。

作為可以兼顧高分辨率和液體環境的微納米分析工具，原子力顯微鏡具備天然的生物學和生命科學適用性。隨著其技術的不斷迭代發展，已經深入地滲透到了生命科學/醫學的研究與實驗中。尤其是如生物醫學工程、仿生學等一些交叉學科的高速發展，相信原子力顯微鏡在此領域必有更深入的應用。

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