技術(shù)服務(wù)上新，解鎖納米級(jí)原子力顯微鏡（AFM）：納米尺度生物研究的核心工具及技術(shù)服務(wù)介紹
你知道嗎？在我們?nèi)庋劭床坏降募{米世界里，DNA的雙螺旋在悄悄扭動(dòng)，細(xì)胞表面的微絨毛像小觸角一樣輕輕擺動(dòng)，就連病毒顆粒的 “皮膚” 都有獨(dú)特的彈性 —— 而這些生命的隱秘細(xì)節(jié)，都逃不過(guò)原子力顯微鏡（AFM） 的 “法眼”。
今天，我們就來(lái)聊聊這個(gè)能 “看” 能 “摸” 的納米級(jí)神器，以及它如何幫科研人揭開(kāi)生物世界的微觀奧秘。
悄悄說(shuō)一句：咱們靈賦拓普的技術(shù)服務(wù)又上新啦！
AFM相關(guān)測(cè)試現(xiàn)已開(kāi)放承接
有需要的小伙伴可以
直接拉到文末了解詳情哦～
原子力顯微鏡（AFM）是基于掃描探針技術(shù)的超高分辨率成像設(shè)備，其核心原理是通過(guò)探測(cè)探針與樣品表面間的微弱相互作用力（如范德華力、靜電力等），將力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，進(jìn)而重構(gòu)樣品表面的三維形貌。
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超高分辨率：可達(dá)到 0.1 nm 級(jí)縱向分辨率，實(shí)現(xiàn)近原子尺度的結(jié)構(gòu)觀察。
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多模式成像：
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-接觸模式：利用原子間斥力成像，分辨率高但可能損傷軟樣品，適用于硬度較高的生物晶體等。
-非接觸模式：基于原子間吸引力，對(duì)軟樣品損傷小，適用于細(xì)胞等，但分辨率略低。
-輕敲模式：探針高頻振動(dòng)并與樣品瞬時(shí)接觸，兼顧高分辨率與樣品保護(hù)性，是生物大分子研究的常用模式。
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環(huán)境兼容性：可在大氣、液體（接近生理環(huán)境）中操作，支持活細(xì)胞、生物分子的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察。
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多功能集成：除形貌成像外，可同步測(cè)量樣品的力學(xué)特性（彈性模量、粘附力等），為結(jié)構(gòu) - 功能關(guān)聯(lián)研究提供數(shù)據(jù)支撐。
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DNA 研究：可清晰呈現(xiàn)雙螺旋結(jié)構(gòu)的周期性特征，捕捉不同離子強(qiáng)度、pH 條件下的構(gòu)象變化（如舒展、折疊或超螺旋狀態(tài)），為理解 DNA 復(fù)制、轉(zhuǎn)錄的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)提供依據(jù)。
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蛋白質(zhì)分析：在接近生理?xiàng)l件下觀察蛋白質(zhì)的天然構(gòu)象及動(dòng)態(tài)變化，例如實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)酶與底物結(jié)合前后的結(jié)構(gòu)差異，或肌紅蛋白在不同氧分壓下的構(gòu)象轉(zhuǎn)變。
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分子間相互作用：通過(guò)修飾探針與樣品表面，可直接觀測(cè) DNA - 蛋白質(zhì)（如轉(zhuǎn)錄因子與特定序列的結(jié)合位點(diǎn)）、蛋白質(zhì) - 蛋白質(zhì)（如抗體 - 抗原）的相互作用模式，并量化作用力大小，為分子機(jī)制研究提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
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形貌觀察：采用輕敲模式可無(wú)損成像細(xì)胞表面的微絨毛、褶皺等精細(xì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)比正常細(xì)胞與病變細(xì)胞（如癌細(xì)胞）的表面特征，為疾病診斷提供形態(tài)學(xué)標(biāo)志物。
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力學(xué)參數(shù)測(cè)量：
-彈性模量：通過(guò)力曲線模式計(jì)算水凝膠或者細(xì)胞等的彈性特征，例如心肌梗死區(qū)域細(xì)胞的彈性模量與正常區(qū)域存在顯著差異，為心肌疾病的病理機(jī)制研究提供線索。
-粘附力：測(cè)量水凝膠或細(xì)胞與基底間粘附力及粘附能大小，如腫瘤轉(zhuǎn)移研究中，癌細(xì)胞與血管內(nèi)皮細(xì)胞的粘附力差異可直接關(guān)聯(lián)其轉(zhuǎn)移潛能。
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形態(tài)與結(jié)構(gòu)分析：AFM 可在近生理環(huán)境下清晰成像病毒顆粒的整體形態(tài)（如流感病毒的球形結(jié)構(gòu)、表面刺突蛋白），為病毒分類與鑒定提供高分辨率數(shù)據(jù)。
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力學(xué)特性評(píng)估：同步測(cè)量病毒外殼的彈性、硬度等參數(shù)，例如 HIV 病毒的表面力學(xué)特性與其感染能力的關(guān)聯(lián)，為抗病毒藥物靶點(diǎn)設(shè)計(jì)提供新思路。
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疫苗研發(fā)支持：通過(guò)監(jiān)測(cè)疫苗病毒顆粒的穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)完整性，為疫苗質(zhì)量控制提供量化指標(biāo)。
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支架優(yōu)化：分析生物支架的表面粗糙度、孔隙率等參數(shù)，例如骨組織工程中，特定粗糙度的支架可顯著促進(jìn)骨細(xì)胞的粘附與增殖，為支架設(shè)計(jì)提供優(yōu)化依據(jù)。
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植入體評(píng)估：研究植入體（如心臟起搏器電極）表面的化學(xué)與物理特性對(duì)生物相容性的影響，例如表面親水性處理可降低炎癥反應(yīng)，提升植入體性能。
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人工器官開(kāi)發(fā)：模擬天然組織（如血管內(nèi)膜）的表面結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)人工血管的制備，通過(guò) AFM 驗(yàn)證其抗凝血性與細(xì)胞相容性。
利用單分子力譜技術(shù)研究蛋白質(zhì)
解折疊過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)行為
通過(guò)精準(zhǔn)操控探針與蛋白質(zhì)分子的相互作用，捕捉蛋白質(zhì)在解折疊過(guò)程中構(gòu)象變化的力學(xué)信號(hào)。例如，在研究某些功能蛋白（如分子伴侶蛋白）時(shí)，可清晰觀測(cè)到其在協(xié)助底物蛋白正確折疊或應(yīng)對(duì)外界壓力（如溫度、化學(xué)物質(zhì)刺激 ）時(shí)，自身結(jié)構(gòu)及與底物作用的動(dòng)態(tài)力學(xué)過(guò)程，為解析蛋白質(zhì)折疊異常相關(guān)疾?。ㄈ绨柎暮Ｄ≈械矸蹣拥鞍族e(cuò)誤折疊機(jī)制 ）提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐，相關(guān)研究成果發(fā)表于 Science, 3 Mar 2017, Vol 355, Issue 6329, 945 - 950 。
針對(duì)不同生物分子界面（如蛋白質(zhì) - 核酸、脂質(zhì) - 蛋白等界面 ），運(yùn)用單分子力譜技術(shù)，定量測(cè)定分子間相互作用的強(qiáng)度數(shù)值。通過(guò)改變分子結(jié)構(gòu)（如對(duì)蛋白質(zhì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)域進(jìn)行定點(diǎn)突變、修飾核酸鏈化學(xué)基團(tuán) ），系統(tǒng)探究分子結(jié)構(gòu)對(duì)相互作用強(qiáng)度的影響規(guī)律。比如在研究細(xì)胞膜上受體 - 配體相互作用時(shí)，明確受體特定結(jié)構(gòu)域的改變?nèi)绾斡绊懪c配體結(jié)合的親和力，助力藥物研發(fā)中靶點(diǎn)分子的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，相關(guān)成果見(jiàn) Nature Communications volume 11, Article number: 3895 (2020) 。
對(duì)于生物醫(yī)用微納材料（如納米藥物載體、組織工程支架材料等 ），利用 AFM 結(jié)合 hertz 模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料不同區(qū)域模量分布的精準(zhǔn)測(cè)試。以多孔支架材料為例，能清晰獲取支架內(nèi)部孔隙周邊、不同材質(zhì)摻雜區(qū)域的模量差異，指導(dǎo)優(yōu)化材料制備工藝，確保材料力學(xué)性能與生物體內(nèi)環(huán)境適配，該方向研究有成果發(fā)表于 Nature Communications volume 10, Article number: 4954 (2019) 。
構(gòu)建病原體（如細(xì)菌、病毒 ）與細(xì)胞表面受體作用的模擬體系，借助單分子力譜技術(shù)，模擬生理及病理狀態(tài)下病原體與細(xì)胞的相互作用過(guò)程。聚焦于連接蛋白中的酯鍵，研究其在病原體侵襲、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)等過(guò)程中對(duì)蛋白機(jī)械強(qiáng)度的影響，為開(kāi)發(fā)阻斷病原體感染的新型藥物（如靶向破壞關(guān)鍵酯鍵作用的小分子藥物 ）提供理論依據(jù)，相關(guān)研究成果發(fā)布于 Nature Communications volume 12, Article number: 5092 (2021) 。
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測(cè)試內(nèi)容：三維形貌成像，量化表面粗糙度（Ra、Rq、Rmax）、顆粒尺寸分布、臺(tái)階高度、孔洞深度 / 體積等參數(shù)。
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適用樣品：細(xì)胞、生物膜、細(xì)菌、納米顆粒、生物支架表面等。
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技術(shù)優(yōu)勢(shì)：近原子尺度分辨率，支持生理環(huán)境下的無(wú)損成像，保留樣品天然狀態(tài)。
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測(cè)試原理：通過(guò)修飾探針與樣品表面，記錄分子間作用的力 - 距離曲線，分析相互作用力大小與作用模式。
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應(yīng)用方向：DNA - 蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì) - 蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì) - 多糖等分子間相互作用研究，適用于基因調(diào)控、免疫機(jī)制等領(lǐng)域。
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測(cè)試參數(shù)：基于力曲線模式，采用赫茲模型計(jì)算細(xì)胞彈性模量；通過(guò)探針 - 細(xì)胞接觸 / 分離過(guò)程，測(cè)量細(xì)胞粘附力。
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潛在應(yīng)用：癌細(xì)胞與正常細(xì)胞的力學(xué)特性差異分析、藥物對(duì)細(xì)胞力學(xué)的影響評(píng)估、組織工程中的細(xì)胞 - 支架相互作用研究。
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測(cè)試內(nèi)容：表征生物材料與細(xì)胞 / 組織界面的微觀結(jié)構(gòu)（粗糙度、結(jié)合方式、物質(zhì)分布），評(píng)估生物相容性、穩(wěn)定性及降解行為。
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典型案例：骨植入體與骨組織的界面結(jié)合分析、可降解材料的降解過(guò)程監(jiān)測(cè)。
1. 樣品準(zhǔn)備規(guī)范
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樣品類型：支持生物大分子（DNA、蛋白質(zhì)）、細(xì)胞（貼壁培養(yǎng)）、組織切片（厚度 10-20μm）、生物材料（塊狀 / 粉末 / 溶液）等。
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制樣要求：
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-細(xì)胞制備樣品：細(xì)胞在培養(yǎng)皿中貼壁培養(yǎng)（培養(yǎng)皿規(guī)格：直徑在35mm-100mm之間），覆蓋率最好在 50%-70%左右，不宜過(guò)密也不宜過(guò)稀。盡量保證都是活細(xì)胞，緊密貼壁，減少死細(xì)胞及漂浮物影響?？梢灶A(yù)先在光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)細(xì)胞培養(yǎng)狀態(tài)，再?zèng)Q定是否進(jìn)行 AFM 掃圖表征。
-組織樣品：腫瘤組織，最好是新鮮樣本（冰凍切片）直接檢測(cè)，不需要甲醛固定或者組織透明化 。
-液體 / 粉末樣品：需超聲分散（默認(rèn) 5 分鐘），分散劑可選水、IPA、酒精等（特殊分散劑需自行處理）。
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運(yùn)輸注意事項(xiàng)：細(xì)胞、組織等易變質(zhì)樣品需冷運(yùn)（干冰或冷藏），避免劇烈振動(dòng)。
2. 測(cè)試流程
a.樣品安裝與探針調(diào)試：根據(jù)樣品狀態(tài)固定（塊狀用導(dǎo)電膠帶，液體用液體池），校準(zhǔn)激光與光斑位置。
b.模式與參數(shù)設(shè)置：根據(jù)樣品特性選擇測(cè)試模式（如輕敲模式），設(shè)定掃描范圍 1μm×1μm 至 100μm×100μm、速率（1-2Hz）及增益參數(shù)。
c.數(shù)據(jù)采集與分析：實(shí)時(shí)成像并優(yōu)化參數(shù)，掃描完成后用 NanoScope Analysis 等軟件處理數(shù)據(jù)，輸出形貌圖及量化參數(shù)。