原子力显微镜在细菌黏附力学研究中的应用

细菌黏附是非常普遍和重要的生物学现象，细菌通过复杂的物理化学力的作用定植于细胞或基底表面。细菌生物膜的形成和结构维持及细菌对宿主细胞的入侵、破坏都与黏附性能密切相关。

目前，原子力显微镜（atomic force micro-scopy）结合单分子、单细胞力谱等技术在细菌黏附研究中应用广泛，相比于传统的细菌处理及检测技术，原子力显微镜具有纳米（nm）级空间分辨率及皮牛（pN）级力灵敏度，细胞处理简单，并可以实现在生理环境下直接观测细菌黏附的动态过程。

近年来，原子力显微镜的功能越来越多样化，性能不断增强，如多频原子力显微镜技术、实时高速原子力显微镜技术、力谱成像技术等，这些技术的进步推进了原子力显微镜在细菌黏附研究中的应用。本文将从原子力显微镜在分子生物学应用方面的最新发展和在细菌黏附研究中的应用两方面进行阐述，为细菌黏附的研究提供新的方法和思路。

原子力显微镜在分子生物学应用方面的进展原子力显微镜是一种能够在纳米级水平表征生物细胞及分子的成像工具，其结合力谱技术可以实现对生物样品机械性能的探测。过去几十年里，基于原子力显微镜的力谱技术发展迅速，由细胞水平发展到分子水平，实现了单分子水平的实时-原位检测。

成像模式原子力显微镜的液相成像实现了近生理条件下对活细胞、生物大分子等生物样品进行动态研究。原子力显微镜的成像模式主要有接触模式和动态模式两种，其中动态模式广泛用于软生物样品成像，是目前用于细菌成像的最主要的模式，其横向剪切力小，可同时表征样品形貌和检测其机械性质，但在分辨率、灵敏度和数据采集速度上仍有一定的局限性。多频原子力显微镜（multi-frequency atomic force microscopy）和实时高速原子力显微镜（high-speed atomic force microscopy）的出现，为解决空间分辨率及成像速度的问题提供了新的发展方向。多频原子力显微镜涉及在多个频率下对原子力显微镜探针偏移的激发和检测，减少了样品数据的不可逆性丢失。高速原子力显微镜在实时观测动态生物分子及细胞生物动力学过程方面取得重大突破，在细菌黏附力学研究中高速原子力显微镜常与其他一系列光学技术结合使用。

力谱技术结合力谱技术对生物样品间各种相互作用力的测量是原子力显微镜的另一重要功能，主要依赖于检测“力-距离曲线”获得相互作用力。原子力显微镜测得的力曲线服从poisson分布。poisson分析法可以估计细菌黏附力中单个化学键的强度，并在表面聚合物性质未知的情况下将整体作用力分解成特异性力和非特异性力进行分析。基于原子力显微镜的力谱技术目前在细菌黏附力学研究中最前沿的应用是单分子力谱技术和单细胞力谱技术。既往细菌黏附研究多基于群体水平，近年来单分子力谱技术发展迅速，主要用于定量研究单细菌黏附力学特性等。新近研发出多巴胺涂层胶体探针，可以使单个活菌稳定附着于微悬臂上，为细菌黏附力学研究提供了平台。但目前单细胞力谱技术研究实用性低，局限性大，亟待进一步发展和推广。单分子力谱技术是定量探测分子内或分子间微小作用力的重要工具，单细胞力谱技术涉及复杂的功能化探针技术，并需要选择适当的物理模型对测得的力曲线进行拟合分析。

目前单细胞力谱技术与原子力显微镜成像、激光扫描共聚焦显微镜、荧光显微镜等技术结合应用成为新的发展趋势，这在细菌黏附领域有着广阔的发展和应用空间。基于原子力显微镜的力谱技术发展越来越迅速，已成为国内外黏附力学研究的重要工具。

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