原子力顯微鏡及其生物學應用

[目錄]

1 緒論……………………………………………………………………………… １

2 儀器……………………………………………………………………………… ４
2.1 原子力顯微鏡……………………………………………………………… ４
2.2 壓電掃描器………………………………………………………………… ６
2.3 探針和懸臂………………………………………………………………… ８
2.3.1 懸臂的幾何形狀………………………………………………… ８
2.3.2 探針針尖的幾何形狀…………………………………………… １０
2.3.3 探針針尖功能化………………………………………………… １２
2.4 樣品架…………………………………………………………………… １２
2.4.1 液體樣品池……………………………………………………… １２
2.5 檢測方法………………………………………………………………… １３
2.5.1 光學檢測：激光束偏移………………………………………… １３
2.5.2 光學探測器：干涉測量………………………………………… １５
2.5.3 電子探測器：電子隧道………………………………………… １５
2.5.4 電檢測器：電容………………………………………………… １７
2.5.5 電探測器：壓電懸臂…………………………………………… １７
2.6 控制系統(tǒng)………………………………………………………………… １８
2.6.1 ＡＦＭ電子……………………………………………………… １８
2.6.2 電子操作………………………………………………………… １９
2.6.3 反饋控制回路…………………………………………………… ２１
2.6.4 設(shè)計限制………………………………………………………… ２２
2.6.5 提高大掃描器的性能…………………………………………… ２３
2.7 振動隔離：熱和機械…………………………………………………… ２３
2.8 校準……………………………………………………………………… ２４
2.8.1 壓電掃描器的非線性特性……………………………………… ２５
2.8.2 探針相關(guān)因素：卷積效應……………………………………… ２５
2.8.3 校準標準………………………………………………………… ２６
2.8.4 掃描校準樣品的探針針尖……………………………………… ２７
2.9 整合型原子力顯微鏡…………………………………………………… ２８
2.9.1 聯(lián)用AFM 光學顯微鏡……………………………………… ２８
2.9.2 “潛艇AFM”———聯(lián)用AFM Langmuir槽………………… ２９
2.9.3 聯(lián)用AFM表面等離子共振技術(shù)…………………………… ２９
2.9.4 冷凍AFM ……………………………………………………… ３０
參考文獻………………………………………………………………………… ３０

3 基本原理……………………………………………………………………… ３３
3.1 力………………………………………………………………………… ３３
3.1.1 范德瓦爾斯力和力距離曲線………………………………… ３３
3.1.2 靜電力…………………………………………………………… ３５
3.1.3 毛細管力和黏附力……………………………………………… ３５
3.1.4 雙層力…………………………………………………………… ３７
3.2 成像模式………………………………………………………………… ３７
3.2.1 接觸直流模式…………………………………………………… ３８
3.2.2 交流模式：輕敲模式和非接觸模式…………………………… ３８
3.2.3 偏轉(zhuǎn)模式………………………………………………………… ４３
3.3 成像類型………………………………………………………………… ４４
3.3.1 形貌……………………………………………………………… ４５
3.3.2 摩擦力…………………………………………………………… ４５
3.3.3 相位……………………………………………………………… ４５
3.4 基底……………………………………………………………………… ４６
3.4.1 云母……………………………………………………………… ４７
3.4.2 玻璃……………………………………………………………… ４７
3.4.3 石墨……………………………………………………………… ４７
3.5 一般問題………………………………………………………………… ４７
3.5.1 熱漂移…………………………………………………………… ４７
3.5.2 多針效應………………………………………………………… ４８
3.5.3 “泳池”偽像……………………………………………………… ４９
3.5.4 高反射樣品上的光學干擾……………………………………… ４９
3.5.5 樣品粗糙度……………………………………………………… ５０
3.5.6 樣品流動性……………………………………………………… ５１
3.5.7 液體中成像……………………………………………………… ５１
3.6 開始……………………………………………………………………… ５２
3.6.1 ＤＮＡ …………………………………………………………… ５２
3.6.2 麻煩的大樣品…………………………………………………… ５４
3.7 圖像優(yōu)化………………………………………………………………… ５６
3.7.1 灰度級和彩色表………………………………………………… ５６
3.7.2 亮度和對比度…………………………………………………… ５６
3.7.3 高通和低通濾波………………………………………………… ５６
3.7.4 歸一化和平面擬合……………………………………………… ５６
3.7.5 去尖……………………………………………………………… ５７
3.7.6 傅里葉過濾……………………………………………………… ５７
3.7.7 相關(guān)平均………………………………………………………… ５８
3.7.8 立體圖和浮雕…………………………………………………… ５８
3.7.9 做好你的功課…………………………………………………… ５８
參考文獻………………………………………………………………………… ５９

4 大分子………………………………………………………………………… ６０
4.1 成像方法………………………………………………………………… ６０
4.1.1 針尖黏附、分子損傷和推移…………………………………… ６０
4.1.2 將大分子沉積在基底上………………………………………… ６０
4.1.3 金屬涂層樣品…………………………………………………… ６２
4.1.4 在空氣中成像…………………………………………………… ６２
4.1.5 非水性液體成像………………………………………………… ６３
4.1.6 將分子與基底結(jié)合……………………………………………… ６３
4.1.7 在水或緩沖液下成像…………………………………………… ６６
4.2 核酸（ＤＮＡ）……………………………………………………………… ６８
4.2.1 ＤＮＡ成像……………………………………………………… ６８
4.2.2 ＤＮＡ構(gòu)象、大小和形狀………………………………………… ６９
4.2.3 ＤＮＡ 蛋白相互作用…………………………………………… ７４
4.2.4 特定站點的定位和繪譜………………………………………… ７７
4.2.5 染色體…………………………………………………………… ７９
4.3 核酸（ＲＮＡ）……………………………………………………………… ８１
4.4 多糖……………………………………………………………………… ８２
4.4.1 多糖成像………………………………………………………… ８３
4.4.2 大小、形狀、結(jié)構(gòu)和構(gòu)象………………………………………… ８４
4.4.3 聚集體，網(wǎng)絡和凝膠…………………………………………… ９０
4.4.4 纖維素，植物細胞壁和淀粉…………………………………… ９５
4.4.5 蛋白多糖和黏蛋白…………………………………………… １００
4.5 蛋白質(zhì)…………………………………………………………………… １０２
4.5.1 球狀蛋白……………………………………………………… １０２
4.5.2 抗體…………………………………………………………… １０７
4.5.3 纖維蛋白……………………………………………………… １０８
參考文獻……………………………………………………………………… １１２

5 界面系統(tǒng)……………………………………………………………………… １６７
5.1 界面介紹………………………………………………………………… １６７
5.1.1 表面活性……………………………………………………… １６７
5.1.2 界面系統(tǒng)ＡＦＭ研究………………………………………… １７０
5.1.3 Langmuir槽…………………………………………………… １７０
5.1.4 Langmuir-Blodgett膜轉(zhuǎn)移…………………………………… １７１
5.2 樣品制備………………………………………………………………… １７２
5.2.1 清潔方案：玻璃器皿和槽…………………………………… １７２
5.2.2 基底…………………………………………………………… １７４
5.2.3 浸漬…………………………………………………………… １７５
5.3 磷脂……………………………………………………………………… １７５
5.3.1 早期磷脂膜ＡＦＭ研究……………………………………… １７６
5.3.2 ＡＦＭ修飾磷脂雙層…………………………………………… １７７
5.3.3 ＡＦＭ研究雙層內(nèi)在性質(zhì)……………………………………… １７９
5.3.4 磷脂雙層中的波紋相………………………………………… １８１
5.3.5 混合磷脂膜…………………………………………………… １８４
5.3.6 支撐層的影響………………………………………………… １８６
5.3.7 磷脂層的動態(tài)過程…………………………………………… １８８
5.4 脂質(zhì)體和完整的囊泡…………………………………………………… １９２
5.4 脂質(zhì)蛋白混合膜………………………………………………………… １９３
5.5.1 磷脂雙層的高分辨率研究…………………………………… １９７
5.6 混雜脂質(zhì)／表面活性劑膜……………………………………………… １９８
5.7 界面蛋白膜……………………………………………………………… １９８
5.7.1 具體注意事項………………………………………………… １９８
5.7.2 界面蛋白膜的ＡＦＭ研究…………………………………… ２００
參考文獻……………………………………………………………………… ２０４

6 有序大分子…………………………………………………………………… ２１１
6.1 三維晶體………………………………………………………………… ２１１
6.1.1 結(jié)晶纖維素…………………………………………………… ２１１
6.1.2 蛋白質(zhì)晶體…………………………………………………… ２１２
6.1.3 核酸晶體……………………………………………………… ２１４
6.1.4 病毒和病毒晶體……………………………………………… ２１５
6.2 二維蛋白晶體：介紹…………………………………………………… ２１８
6.2.1 ＡＦＭ必須提供什么…………………………………………… ２１８
6.2.2 樣品制備：膜蛋白…………………………………………… ２２０
6.2.3 樣品制備：可溶性蛋白質(zhì)…………………………………… ２２０
6.3 二維膜蛋白晶體的ＡＦＭ研究………………………………………… ２２２
6.3.1 紫膜…………………………………………………………… ２２２
6.3.2 縫隙連接……………………………………………………… ２２４
6.3.3 光合蛋白膜…………………………………………………… ２２６
6.3.4 腎膜中的ＡＴＰ酶…………………………………………… ２２７
6.3.5 ＯｍｐＦ孔蛋白………………………………………………… ２２７
6.3.6 細菌Ｓ層……………………………………………………… ２２８
6.3.7 噬菌體?２９頭尾連接子……………………………………… ２３１
6.3.8 膜動力學的ＡＦＭ成像……………………………………… ２３２
6.3.9 膜蛋白的力譜………………………………………………… ２３４
6.3.10 氣體囊泡蛋白………………………………………………… ２３４
6.4 可溶性蛋白質(zhì)二維晶體的ＡＦＭ研究………………………………… ２３５
6.4.1 成像條件……………………………………………………… ２３７
6.4.2 靜電考慮……………………………………………………… ２３８
參考文獻……………………………………………………………………… ２４０

7 細胞、組織和生物礦物……………………………………………………… ２５０
7.1 成像方法………………………………………………………………… ２５０
7.1.1 樣品準備……………………………………………………… ２５０
7.1.2 力繪譜和機械測量…………………………………………… ２５２
7.2 微生物細胞：細菌，孢子和酵母菌…………………………………… ２６１
7.2.1 細菌…………………………………………………………… ２６１
7.2.2 酵母…………………………………………………………… ２６９
7.3 血細胞…………………………………………………………………… ２６９
7.3.1 紅細胞………………………………………………………… ２７０
7.3.2 白細胞和淋巴細胞…………………………………………… ２７２
7.3.3 血小板………………………………………………………… ２７２
7.4 神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞………………………………………………… ２７３
7.5 上皮細胞………………………………………………………………… ２７５
7.6 非融合腎細胞…………………………………………………………… ２７６
7.7 內(nèi)皮細胞………………………………………………………………… ２７７
7.8 心肌細胞………………………………………………………………… ２７８
7.9 其他哺乳動物細胞……………………………………………………… ２８０
7.10 植物細胞……………………………………………………………… ２８３
7.11 組織…………………………………………………………………… ２８６
7.11.1 嵌入切片……………………………………………………… ２８７
7.11.2 無嵌入切片…………………………………………………… ２８７
7.11.3 水合切片……………………………………………………… ２８８
7.11.4 冷凍斷裂復制品…………………………………………… ２８９
7.11.5 免疫標記……………………………………………………… ２８９
7.12 生物礦物……………………………………………………………… ２９０
7.12.1 骨、肌腱和軟骨……………………………………………… ２９０
7.12.2 牙……………………………………………………………… ２９１
7.12.3 外殼…………………………………………………………… ２９２
參考文獻……………………………………………………………………… ２９３

8 其他探針顯微鏡……………………………………………………………… ３１０
8.1 概述……………………………………………………………………… ３１０
8.2 掃描隧道顯微鏡………………………………………………………… ３１０
8.3 掃描近場光學顯微鏡…………………………………………………… ３１３
8.4 掃描離子電導顯微鏡…………………………………………………… ３１４
8.5 掃描熱顯微鏡…………………………………………………………… ３１６
8.6 光鑷和光子力顯微鏡…………………………………………………… ３１７
參考文獻……………………………………………………………………… ３２０

9 力譜…………………………………………………………………………… ３２１
9.1 原子力顯微鏡的力測量………………………………………………… ３２１
9.2 力譜的第一步：從原始數(shù)據(jù)到力距離曲線………………………… ３２２
9.2.1 定量懸臂位移………………………………………………… ３２２
9.2.2 確定懸臂彈性常數(shù)…………………………………………… ３２３
9.2.3 力距離曲線分析……………………………………………… ３２５
9.3 拉伸方法………………………………………………………………… ３２７
9.3.1 分子的固有彈性特性………………………………………… ３２７
9.3.2 分子識別力譜………………………………………………… ３３１
9.3.3 化學力顯微鏡（ＣＦＭ）………………………………………… ３３５
9.4 推壓方法………………………………………………………………… ３３５
9.4.1 膠體探針顯微鏡（ＣＰＭ）……………………………………… ３３５
9.4.2 如何制作膠體探針懸臂組件………………………………… ３３７
9.4.3 變形和壓痕方法……………………………………………… ３４０
9.5力距離曲線分析……………………………………………………… ３４１
9.5.1 蠕蟲狀鏈和自由連接鏈模型………………………………… ３４１
9.5.2 分子相互作用………………………………………………… ３４３
9.5.3變形分析……………………………………………………… ３４５
9.5.4 剝離時的黏合力……………………………………………… ３４５
9.5.5 變形時的彈性壓痕深度（δ）和接觸半徑（犪）………………… ３４６
9.5.6 零載荷時的接觸半徑………………………………………… ３４６
9.5.7 膠體力………………………………………………………… ３４７
參考文獻……………………………………………………………………… ３４８

掃描探針顯微鏡（ＳＰＭ）相關(guān)參考書籍…………………………………………… ３５６

索引………………………………………………………………………………… ３５８