基于原子力显微镜的单个DNA分子压弹性测量

介绍了一种基于振动模式扫描极化力显微镜在小力区(< 0.5 nN)测量柔软的生物分子压弹性的方法, 并利用此方法研究了DNA分子在直径方向(垂直于双螺旋方向)的压缩性质. 实验结果表明固定在云母表面的DNA分子具有很好的弹性, 在外力作用下DNA的径向形变可达到~50%, 当外力撤销后, 其形变可以完全恢复. 另外统计了20段DNA分子上20个点的高度与所受压力的关系, 并由此初步估算了DNA分子的弹性常数.     

原子力显微镜用于LB有序分子膜的研究

利用近年来新发展起来的具有原子级分辨的原子力显微镜，研究ＬＢ有序分子膜有着其它表面分析仪器所无与伦比的优势。本文概述了该方面的国外研究现状和发展趋势，着重介绍了作者近年来在ＬＢ膜的原子力显微镜研究方面的最新成果。     

原子力显微镜观测并切断在Si表面拉直的DNA分子

DNA具有稳定的线性结构和一定的导电性能, 因而有可能作为纳米导线来构成纳米器件. 为此, 人们已经采用很多方法尝试以DNA为基础单元构成纳米图型. 用原子力显微镜观察自由液流法在Si表面拉直的λ-DNA分子, 观察到加二次液流后λ-DNA 形成的悬链线状结构和交叉的DNA网络, 并成功地用原子力显微镜针尖切断在Si表面拉直的λ-DNA分子.     

pBR322质粒DNA的原子力显微镜成象及剪切研究

研究DNA分子间和分子内相互作用力,可以帮助人们了解DNA分子的结构及其功能.由于对这些相互作用力进行直接测量时,不仅需要控制体系的稳定性,同时外加作用力又不能对体系产生影响.因此,目前只是利用X射线,光散射和核磁共振等手段对作用力进行直接的物理或热力学测量.虽然渗透压技术已经应用到DNA双螺旋非特定分子间力的测量,但对于具有特定取向的复杂分子相互作用,就需要在单个分子间进行直接测量.原子力显微镜(AFM)可以检测到10~(-14)N数量级的针尖-样品相互作用力,横向分辨率可达0.01nm,而接触面积只有10nm~2,并且可以在近生理溶液条件下操作,因此它是非常适合研究DNA分子间相互作用力的.事实上,利用AFM研究Biotin-streptavidin体系中的单个分子间相互作用以及DNA双链间的相互作用力已有报道.     

原子力显微镜技术及其在细胞生物学中的应用

从原子力显微镜的发展、特点、操作模式以及联用技术等方面对原子力显微镜技术作了简要的介绍, 从细胞固定方法、细胞成像、力检测以及细胞操纵等方面综述了原子力显微镜技术在细胞生物学方面的应用, 并对原子力显微镜技术的发展进行了展望.     

转铁蛋白及其抗体分子间作用的原子力显微镜探测

采用原子力显微镜对饱和铁转铁蛋白和脱铁转铁蛋白与转铁蛋白抗体之间的相互作用进行研究. 对转铁蛋白抗体层层自组装在喷金基片表面并且与抗原蛋白之间特异性结合的形貌进行了表征. 通过原子力显微镜对分子间力的曲线的探测, 比较了饱和铁转铁蛋白和脱铁转铁蛋白与抗体之间的作用力的差异. 实验表明, 饱和铁转铁蛋白与抗体分子之间结构互相嵌合, 结合更加紧密; 分子间力的曲线亦显示饱和铁转铁蛋白与抗体之间的特异性结合力明显大于脱铁转铁蛋白.     

原子力显微镜研究包含偶氮苯的肽核酸与纳米颗粒标记DNA的杂交

包含偶氮苯单元的肽核酸(N-PNA)被组装在硅片表面, 然后金纳米颗粒标记的互补序列的DNA可以与其杂交. 通过原子力显微镜(AFM)成功检测了它们的杂交, 并且研究了偶氮苯单元在N-PNA中的位置及其顺反异构对N-PNA和DNA杂交的影响.     

基于原子力显微镜微切削加工技术的癌细胞内部弹性模量计算

癌细胞机械力学特性的测量为癌症的诊断、预防、治疗、病变机理等方面的研究提供全新的手段和巨大的潜在空间.本文建立细胞和针尖之间的接触压力和针尖在细胞上切入深度的计算模型,利用原子力显微镜(AFM)单晶硅针尖对固定的卵巢癌细胞(UACC1598)和结肠癌细胞(NCI-H716)进行微切削逐层去除.结果表明:由于不同细胞的结构和机械性质的差异,相同的加载力对不同的细胞材料进行切削加工时,细胞和针尖之间的接触压力和针尖在细胞上的切入深度差异较大.细胞表面微切削去除范围为8m×8m,在细胞上逐层去除材料时的加载力从17.523到32.126N逐渐增大,去除后对每层不同位置进行弹性模量测量,得到细胞内部弹性模量分布,细胞内部弹性模量与细胞表面弹性模量差分别为卵巢癌细胞0.288±0.08kPa,结肠癌细胞0.376±0.16kPa.用这种微切削去除方法可以测量细胞内部细胞骨架细胞器等各结构的力学特性,为疾病的诊断和治疗提供更精确的实验数据.     

非细胞体系核重建的原子力显微镜观察

非细胞体系是研究有丝分裂中核重建过程的重要方法. 原子力显微镜以其高分辨成像的功能已成为观察生物体系的有力工具, 但目前原子力显微镜在非细胞体系研究中的应用还未见报道. 提出了一种适用于原子力显微镜观察的空气干燥样品制备方法, 利用原子力显微镜观察了非细胞体系核重建过程, 得到了高分辨、高质量的非细胞体系核重建过程的形貌像, 并且清晰地分辨出直径为100 nm的膜泡和它在接近染色质表面的形态变化. 为进一步了解核膜的重建机理提供了方向.     

基于原子力显微镜(AFM)的细胞黏弹特性测量与分析

细胞机械特性在细胞生理病理变化过程中起着重要指示作用,对其进行研究有助于了解生命活动奥秘以及疾病发生发展的内在机理.原子力显微镜(AFM)的发明为单细胞机械特性研究提供了新的技术手段,给细胞力学及癌症等重大疾病带来了大量新的认识.然而现有AFM细胞机械特性探测主要集中在细胞弹性特性,对细胞黏弹特性进行的研究和分析还较为缺乏.本文基于AFM开展了细胞黏弹特性测量和分析研究.首先建立了基于AFM单细胞压痕技术的细胞黏弹特性探测方法,基于此实现了对6种不同类型细胞(包括贴壁细胞、悬浮细胞、正常细胞、癌细胞、细胞系和原代细胞等)黏弹特性(松弛时间)的测量与表征,随后对测量结果进行回归分析揭示出细胞1阶松弛时间和2阶松弛时间之间的关联.研究结果加深了人们对细胞黏弹特性的认识,为单细胞机械特性研究提供了新的思路.     

煤纳米孔隙结构的原子力显微镜研究

煤纳米孔隙是认识煤中吸附气储集和运移的重要因素. 提出一种研究煤纳米孔隙结构的新方法, 该方法基于原子力显微镜(AFM)的纳米级分辨率, 可直观清晰地观察煤的纳米孔隙特征, 并可对煤纳米孔隙结构参数进行三维定量测量. 分析结果表明: 煤中纳米孔主要为变质气孔和分子间的链间孔, 变质气孔的形貌主要为圆形和椭圆形, 随煤化程度的提高, 变质气孔的发育程度不断增加; 链间孔的形态变化较大, 低煤级煤的链间孔大于高煤级煤, 链间孔随煤级的升高逐渐减少. 横切面分析可以有效地揭示煤纳米孔隙的几何学特征, 相分析的参数是表征煤微孔隙度的重要参数之一, 而粒度分析则可以检测煤纳米孔隙孔径分布特征. AFM 对煤纳米孔隙的研究, 将会给煤的微观结构和煤层气吸附机理的进一步深入研究提供新的研究手段.     

细菌表面镀镍的透射电子显微镜与原子力显微镜表征

近年来微生物细胞由于尺寸小、几何外形标准多样和资源丰富等特点成为制备金属纳米结构或材料极具吸引力的生物模板. 以典型的革兰氏阴性菌——大肠杆菌为模板通过无电子化学镀成功制备了具有标准杆状外形的表面镀镍的纳米金属材料, 并利用原子力显微镜和透射电子显微镜对化学镀镍前后的大肠杆菌作了形貌学上的表征、测量与对比. 结果显示, 空白对照菌表面平整光滑并在云母基底表面表现出较显著的铺展效应; 经过活化和化学镀镍后的菌细胞表面粗糙度明显增大, 并在基本保持原有菌模板外形的基础上, 其高宽比有所增大. 超薄切片结果表明, 菌细胞表面的金属镍镀层分布均匀, 其厚度处于纳米量级.     

去垢剂CHAPS部分溶解的紫膜表面结构的原子力显微镜成像

运用原子力显微镜在液体池中用接触模式观测紫膜表面, 在不同尺度上比较了纯紫膜和被去垢剂CHAPS部分溶解的紫膜的表面结构. 发现加入6 mmol/L CHAPS后紫膜表面的晶格结构发生裂解, 形成了裂纹和凹陷, 但是细菌视紫红质仍然保持三聚体结构. 合理推论CHAPS微团和紫膜的相互作用是形成这些裂纹和凹陷的原因. 吸收光谱和闪光光解光谱说明, 加入CHAPS后细菌视紫红质的动力学功能已发生改变, 对此进行了初步的分析.     

单个DNA分子光敏断裂过程的观察

利用荧光显微镜和冷却CCD记录单个拉直的lDNA分子在光照下逐渐断裂的动态过程. lDNA分子经高效的YOYO-1染料染色后, 用分子梳技术拉直, 并使DNA链的若干局部点固定在APS修饰的玻片上. 在蓝光的照射下, 观察lDNA的断裂和断裂后的弹性回缩过程. 结果表明, DNA构象的变化以及水分子的作用, 有可能使DNA在光照的作用下更加容易断裂. 此技术将在研究DNA弹性、DNA与染料相互作用以及肿瘤治疗中起一定的作用.     

原子力显微术应用于活细胞及新鲜组织成像的新进展

原子力显微术由于其独特的成像方式, 为生物医学领域高分辨表征与成像研究提供了崭新的手段, 但其在活细胞及新鲜组织成像上仍存在着巨大挑战. 本文结合作者在活细胞及新鲜组织成像方面的工作, 对原子力显微术两种常用工作模式(接触模式和轻敲模式)的特点和局限、新的轻敲模式(磁驱动轻敲模式, MAC mode)用于活体生物样本的优势以及MAC mode所提供的一种反映样品表面新信息的TREC像进行了叙述, 进而介绍了目前原子力显微术在活体生物样本成像方法及表征研究方面的进展.     

动态组合模式“蘸笔”纳米刻蚀与单个DNA分子上的物理纳米图形制造

利用“蘸笔”纳米刻蚀技术(DPN)可在金、硅和氧化硅等较硬的固相衬底表面上制作不同的纳米级图案. 但是, 在柔软的物体表面如生物大分子上直接制作纳米图形是尚需开拓的研究领域. 本文发展的动态组合模式“蘸笔”纳米刻蚀技术(CDDPN)可实现在生物大分子上直接制作纳米图形, 并且能达到在拉直的单个DNA分子上制造纳米图形的目的.     

基于AFM 单分子力谱技术的CD20-Rituximab 间相互作用力测量

原子力显微镜(AFM)的发明为测量分子间特异性相互作用力提供了新的技术手段.利用AFM 单分子力谱 (SMFS) 技术分别测量了提纯的CD20, 淋巴瘤Raji 细胞表面的CD20 和淋巴瘤病人B 细胞表面的CD20 与Rituximab (抗CD20 单克隆抗体)之间的相互作用力. 通过探针功能化技术, 将Rituximab 连接到AFM针尖; 通过基底功能化技术, 将提纯的CD20分子吸附到云母表面, 对CD20分子进行了AFM成像, 并测量了CD20与Rituximab 之间的相互作用力; 通过静电吸附和化学固定, 将淋巴瘤Raji 细胞和淋巴瘤病人细胞固定到载玻片表面, 对Raji 细胞和病人细胞进行了AFM 成像, 并分别测量了Raji 细胞表面的CD20 和病人B 细胞表面的CD20 与Rituximab 之间的相互作用力. 比较并分析了在提纯的CD20 分子表面、Raji 细胞表面和病人B 细胞表面测量CD20-Rituximab 相互作用力的差异,实验结果表明Raji 细胞表面的CD20 与Rituximab 之间的相互作用力明显小于提纯的CD20 以及淋巴瘤病人B 细胞表面的CD20 与Rituximab 之间的相互作用力, 为深入研究造成Rituximab 耐药性差异的分子机理提供了技术思路和实验方法.     

基于光学测量的纳米孔单分子分析技术

纳米孔技术因其无标记、低成本、便携式和超高灵敏度等优点受到许多关注,但传统的电测量方法仍受到非理想器件噪声、低通量以及时空分辨率不足等限制.目前已经有许多策略被提出来改进和解决这些限制,其中高带宽和高通量的光学测量技术可以被用来补充或替代电测量.本文总结了基于荧光、等离激元共振效应和表面增强拉曼散射等光学测量方法的纳米孔单分子研究进展,并展望了时空分辨光学纳米孔测量的前景.