AFM应用于分子与分子、分子与细胞、细胞与细胞间作用力的测量

ＡＦＭ可用于分子与分子、分子与细胞、细胞与细胞间作用力的测量，通过所测得的“力－距离”曲线可实现从分子到细胞间相互作用力及相关机械特性的分析。“力－距离”曲线即探针与样品之间相对运动过程中所测得的探针与样品之间相互作用力Ｆ和探针与样品之间距离Ｓ之间的关系曲线。将多次测量的力曲线结合可得到力谱，根据ＡＦＭ的工作模式可将所得到的力谱分为静态力谱与动态力谱：静态力谱，针尖与样品之间的相互作用力与两者之间距离的关系可通过力－距离曲线直接得到；动态力谱，当针尖与样品间足够接近，会发生相互作用，引起共振频率的变化，通过频率变化可以分析表面作用力。动态模式下力测量具有高灵敏度，可用于小的拉伸区域下机械特性的分析，这样的力静态模式下难以测量。根据力曲线分析样品的机械性能有很多可供选择的理论模型，其中最常用的为Ｈｅｒｔｚ模型，该模型将探针与样品的弹性接触模拟成球体与另一物体之间的接触，最大的不足在于忽略了黏滞力的存在。许多科学家在Ｈｅｒｔｚ模型的基础上进行改进，提出了新的模型，Ｋ．Ｌ．Ｊｏｈｎｓｏｎ等人１９７１年首次提出弹性球体变形理论（ＪＫＲ理论），Ｂ．Ｖ．Ｄｅｒｊａｇｕｉｎ等人１９７５年提出了自己的弹性球体变形理论（ＤＭＴ理论）。这两个理论由于反差太大，在刚开始提出的时候引发了强烈的争议，最后研究发现这两个理论为同一模型的两个极端情况。Ｌ．Ｓｉｒｇｈｉ等人于２００８年在ＪＫＲ模型的基础上进行改进得出了自己的弹性接触模型，解决了ＪＫＲ仅限于球形压头顶点接触的实验要求。Ｗ．Ｃ．Ｏｌｉｖｅｒ与Ｇ．Ｍ．Ｐｈａｒｒ共同提出的模型能很好地用于柔软的材料，该模型假定卸载过程中只恢复了弹性位移，这样就可以得到样品弹性模量。

基于ＡＦＭ的细胞机械特性分析，首先利用轻敲模式确定基底上细胞的位置，然后ＡＦＭ的针尖在细胞表面中心附近的位置点沿垂直方向做“逼近－回退”的往复运动，分别记录针尖在逼近细胞并产生压痕和回拉过程中探针悬臂弯曲程度的变化和压电陶瓷位置的变化。该项技术目前被广泛应用于与细胞机械特性分析相关的研究中，细胞机械特性的研究大体可分为两类：一类为对生物特殊功能细胞的机械特性的分析，如人体眼角膜各层结构的弹性分析和阿拉伯芥菜根部表皮细胞的机械特性分析等，除此之外，微生物机械特性的分析也是细胞机械特性研究的一个重要方面，如噬菌体成熟过程中的刚度分析以及生理条件下烟草花叶病毒弹性研究等。第二类为细胞在外部刺激或各项生理过程中机械特性变化的研究，如哺乳动物细胞有丝分裂过程中机械特性的分析、药物刺激前后淋巴瘤活细胞的形貌和弹性的变化以及松香油与共轭亚油酸对细胞骨架机械特性的影响等，近年来对细胞动态过程中机械特性的跟踪分析已经成为生物细胞分析中的一个热点话题。

在生物研究中胚胎发育、组织形成以及病毒与细菌引起的感染都依赖于细胞黏附，这些过程可以理解为细胞与细胞、特殊表面或有机矩阵之间的黏附，因此细胞黏附力的研究对于生命科学研究具有重要的意义。通过对特殊材料制造的ＡＦＭ探针或功能化的探针测得的“力－距离”曲线“回退”过程中的突变点分析可得到研究对象间的黏附强度，Ｂ．Ｊ．Ｐａｒｋ等人通过对李斯特菌属与氮化硅间的黏附强度分析发现具有致病性的李斯特菌种较同类非致病性菌种黏附强度更大且表现为更突出的非均匀性；Ｈ．Ｓｈｉｎｔｏ等人通过ＡＦＭ分析小鼠肿瘤细胞与聚苯乙烯小球之间黏附力。利用自组装单层（ＳＡＭ）技术包裹ＡＦＭ探针研究细胞之间的黏附力包含了多个细胞之间的作用力，无法准确测得细胞间的作用力。单细胞力谱（ＳＣＦＳ）的出现解决了这一问题，该方法通过在探针尖端或悬臂上附着一个细胞实现其功能化，能够准确地获取单个细胞间的相互作用力。、

单分子力谱（ＳＭＦＳ）通过操作单个分子分析分子内部或分子间作用力情况，主要应用于单分子机械性能分析及分子间配合作用力分析。细胞蛋白的机械特性对其生理机能起着至关重要的作用，ＳＭＦＳ在过去主要应用于体外单个细胞膜蛋白机械特性的分析及折叠实验中，近几年，该领域的研究已经开始转向针对活体细胞上单个蛋白质的特性分析，如２００９年Ｖ．Ｄｕｐｒｅｓ等人利用ＳＭＦＳ技术实现了活酵母细胞表面Ｗｓｃ１蛋白纳机械特性的分析。ＳＭＦＳ的另一个重要应用在于利用特定的分子功能化处理后的探针针尖测量分子间作用力，该技术广泛应用于细胞表面受体与配体分子间结合力测量以及细胞表面分子识别。ＳＭＦＳ对膜蛋白的分析对于细胞黏滞、分子识别、转录、分子运动及蛋白质折叠等过程的分析具有重要意义，但是该技术目前也存在一些问题。ＳＭＦＳ最大的问题在于实验数据中非特异性作用力信号，该类信号的存在会影响甚至覆盖有用的信号，导致实验数据处理过程复杂且无法保证准确。Ｓ．Ｚａｐｏｔｏｃｚｎｙ等人２０１２年提出了一种利用特殊材料对针尖进行功能化从而消除非特异性作用力的方法，并针对ＳＭＦＳ所存在的复杂数据处理问题进行了改进，提出利用黏附频率来得到分子间作用力。
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