顯微鏡技術(shù)在水下的應(yīng)用

要充分了解生物材料如細(xì)胞膜或蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能，生物學(xué)家需要在它們的原始天然狀態(tài)，和水的環(huán)境中去研究它們。如今，研究人員報(bào)告一種可以提供此信息的高分辨率的技術(shù)，在生物友好的條件下。該小組已研制出一種原子力顯微鏡，可以研究呆在水中的樣品，這種溫和的環(huán)境足以分析脆弱的生物的表面的。

在一個(gè)典型的原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)鋒利的尖可以掃描材料的表面，由于它與表面上的分子或原子的作用而產(chǎn)生一個(gè)力，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)圖象。AFM可以根據(jù)表明的形狀和電學(xué)性能生成原子尺度的信息。該技術(shù)非常適合于在空氣中以及與強(qiáng)大的能承受堅(jiān)硬，成像銳利尖端接觸的樣品。

細(xì)胞和蛋白質(zhì)的生物結(jié)構(gòu)是潮濕和濕軟的，不太適合原子力顯微鏡（AFM）。美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的化學(xué)工程師Seong H. Kim，想使原子力顯微鏡技術(shù)應(yīng)用于生物樣品。他認(rèn)為，這樣的技術(shù)可以幫助生物學(xué)家研究嵌入細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)或神經(jīng)細(xì)胞的電勢(shì)。

為了使AFM適應(yīng)于生物樣品，Seong以在勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員在20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)的掃描極化力顯微鏡為基礎(chǔ)建立了一個(gè)新方法（Appl. Phys. Lett. 1995, DOI: 10.1063/1.114541）。在該方法中，AFM的針尖處于一個(gè)外加電壓之下，電壓主要根據(jù)露在空氣中的表面上的電荷。該方法不要求與成像表面進(jìn)行物理接觸。相反，表面上的靜電吸引或排斥的針尖，建立可測(cè)量的力。

在該領(lǐng)域的研究人員認(rèn)為，該技術(shù)在水下是行不通的。當(dāng)Kim研究小組第一次在水中嘗試的時(shí)候，他們發(fā)現(xiàn)，溶解的離子覆蓋在針尖表明，進(jìn)而干擾針尖與樣品表面的相互作用。但是，他們克服此問(wèn)題的方法是，將尖端處的正電壓和負(fù)電壓之間進(jìn)行振蕩處理。隨著這種振蕩，離子不能呆在針尖，以干擾與測(cè)量。

為了證明水下測(cè)量的概念，Kim研究小組對(duì)一個(gè)金表面進(jìn)行成像，金表面覆蓋了一個(gè)自組裝的帶電聚合物單層膜。用AFM技術(shù)，該球隊(duì)可以給出表明的一個(gè)圖，并區(qū)分正、負(fù)電荷。

Kim說(shuō)，目前尚不清楚是什么這種濕潤(rùn)方法的極限分辨率決。最好的AFM方法可以提供原子級(jí)的分辨率。Kim說(shuō)，眼下他的方法可以辨別大小為200 nm的物體。成像使用的針尖約10至20納米寬，所以更高的分辨率應(yīng)該是可能的。

“事實(shí)上，你可以真正在液體中用這種方法，這對(duì)生物研究人員來(lái)說(shuō)是有趣的：”  。如果Kim的小組可以證明它可以應(yīng)用于與實(shí)際的生物樣品，可以制作一個(gè)用戶友好的版本，他說(shuō)，該方法可以給生物學(xué)家提供一些獨(dú)特的技術(shù)。目前使用的技術(shù)，沒(méi)有能比得上用AFM所獲得的無(wú)法比擬的空間分辨率，Stieg說(shuō)。