隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生命科學(xué)開(kāi)始向定量科學(xué)方向發(fā)展。大部分實(shí)驗(yàn)的研究重點(diǎn)已經(jīng)變成生物大分子，特別是核酸和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其相關(guān)功能的關(guān)系。因?yàn)?/span>AFM原子力顯微鏡的工作范圍很寬，可以在自然狀態(tài)（空氣或者液體）下對(duì)生物醫(yī)學(xué)樣品直接進(jìn)行成像，分辨率也很高。因此，原子力顯微鏡已成為研究生物醫(yī)學(xué)樣品和生物大分子的重要工具之一。AFM原子力顯微鏡應(yīng)用主要包括三個(gè)方面：生物細(xì)胞的表面形態(tài)觀測(cè)；生物大分子的結(jié)構(gòu)及其他性質(zhì)的觀測(cè)研究；生物分子之間力譜曲線的觀測(cè)。
原子力顯微鏡對(duì)生物細(xì)胞的表面形態(tài)觀察
AFM原子力顯微鏡可以用來(lái)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行形態(tài)學(xué)觀察，并進(jìn)行圖像的分析。通過(guò)觀察細(xì)胞表面形態(tài)和三維結(jié)構(gòu)，可以獲得細(xì)胞的表面積、厚度、寬度和體積等的量化參數(shù)等。例如，利用AFM可以對(duì)感染病毒后的細(xì)胞表面形態(tài)的改變、造骨細(xì)胞在加入底物（鈷鉻、鈦、鈦釩等）后細(xì)胞形態(tài)和細(xì)胞彈性的變化、GTP對(duì)胰腺外分泌細(xì)胞囊泡高度的影響進(jìn)行研究。利用原子力顯微鏡還可以對(duì)自由基損傷的紅細(xì)胞膜表面精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究，直接觀察到自由基損傷，以及加女貞子保護(hù)作用后，對(duì)紅細(xì)胞膜分子形態(tài)學(xué)的影響。
生物大分子的結(jié)構(gòu)及其他性質(zhì)的觀測(cè)研究
2.1 蛋白質(zhì)
對(duì)于蛋白質(zhì)，AFM原子力顯微鏡的出現(xiàn)極大的推動(dòng)了其研究進(jìn)展。原子力顯微鏡可以觀察一些常見(jiàn)的蛋白質(zhì)，諸如白蛋白，血紅蛋白，胰島素及分子馬達(dá)和噬菌調(diào)理素吸附在圖同固體界面上的行為，對(duì)于了解生物相溶性，體外細(xì)胞的生長(zhǎng)，蛋白質(zhì)的純化，膜中毒有很大幫助。例如，Dufrene 等利用AFM 原子力顯微鏡考察了吸附在高分子支撐材料表面上的膠原蛋白的組裝行為。結(jié)合X-射線光電子能譜技術(shù)和輻射標(biāo)記技術(shù)，他們提出了一個(gè)定性解釋其層狀結(jié)構(gòu)的幾何模型。AFM 實(shí)驗(yàn)證實(shí)了膠原蛋白組裝有時(shí)連續(xù)，有時(shí)不連續(xù)的性質(zhì)，通過(guò)形貌圖也提供了膠原蛋白纖維狀結(jié)構(gòu)特征。Quist等利用原子力顯微鏡 研究了白蛋白和豬胰島素在云母基底上的吸附行為，根據(jù)AFM 原子力顯微鏡圖上不同尺寸的小丘狀物質(zhì)推測(cè)，蛋白質(zhì)有時(shí)發(fā)生聚集，有時(shí)分散分布。Epand 等則利用AFM 技術(shù)研究了一類感冒病毒的紅血球凝集素，S次展示了一種膜溶原蛋白自組裝形成病毒折疊蛋白分子外域的實(shí)時(shí)過(guò)程。
在原子力顯微鏡觀察包裹有紫膜的噬菌調(diào)理素蛋白（BR) 的研究中，AFM 原子力顯微鏡儀器的改進(jìn)，檢測(cè)技術(shù)的提高和制樣技術(shù)的完善得到了集中的體現(xiàn)。在細(xì)胞中，分子馬達(dá)可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)，防止因?yàn)椴祭蔬\(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的細(xì)胞中具有方向性的活動(dòng)出現(xiàn)錯(cuò)誤，這些活動(dòng)包括：肌漿球蛋白，運(yùn)動(dòng)蛋白，動(dòng)力蛋白，螺旋酶，DNA 聚合酶和RNA 聚合酶等分子馬達(dá)蛋白的共同特點(diǎn)是沿著一條線性軌道執(zhí)行一些與生命活動(dòng)息息相關(guān)的功能，比如肌肉的收縮，細(xì)胞的分化過(guò)程中染色體的隔離，不同細(xì)胞間的細(xì)胞器的置換以及基因信息的解碼和復(fù)制等。由于分子馬達(dá)本身的微型化，它們?nèi)菀资芨叩臒崮芎痛蟮牟▌?dòng)的影響，了解馬達(dá)分子如何正常有序工作就成為一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。利用AFM原子力顯微鏡，人們已經(jīng)知道了肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白的結(jié)構(gòu)信息和細(xì)胞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肌動(dòng)蛋白骨架調(diào)控功能。
2.2 脫氧核糖核酸(DNA)
原子力顯微鏡液相成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于消除了毛細(xì)作用力，針J粘滯力，更重要的是可以在接近生理?xiàng)l件下考察DNA 的單分子行為。DNA 分子在緩沖溶液或水溶液中與基底結(jié)合不緊密，是液相AFM原子力顯微鏡面臨的主要困難之一。硅烷化試劑,如3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）和陽(yáng)離子磷脂雙層修飾的云母基底固定DNA 分子，再在緩沖液中利用AFM 成像，可以解決這一難題。在氣相條件下陽(yáng)離子參與DNA的沉積已經(jīng)發(fā)展十分成熟，適于原子力顯微鏡觀察。在液相條件下，APTES 修飾的云母基底較常用。DNA的許多構(gòu)象諸如彎曲，超螺旋，小環(huán)結(jié)構(gòu)，三鏈螺旋結(jié)構(gòu)，DNA 三通接點(diǎn)構(gòu)象，DNA 復(fù)制和重組的中間體構(gòu)象，分子開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)和藥物分子插入到DNA 鏈中的相互作用都廣泛地被AFM原子力顯微鏡考察，獲得了許多新的理解。
2.3 核糖核酸( RNA)
原子力顯微鏡對(duì)RNA的研究還不是很多。結(jié)晶的轉(zhuǎn)運(yùn)RNA 和單鏈病毒RNA 以及寡聚Poly (A) 的單鏈RNA 分子的AFM 原子力顯微鏡圖像已經(jīng)被獲得。因?yàn)樵谟诓煌木彌_條件下，單鏈RNA 的結(jié)構(gòu)變化十分復(fù)雜，所以單鏈RNA 分子的圖像不容易采集。（利用AFM成像RNA分子需要對(duì)樣品進(jìn)行特殊和復(fù)雜的處理。Bayburt 等借鑒Ni2 + 固定DNA 的方法在緩沖條件下獲得了單鏈Pre-m RNA 分子的原子力顯微鏡圖像。他們的做法如下： (1) 用酸處理被Ni2 + 修飾的云母基底以增加結(jié)合力； (2) RNA 分子在70℃退火，慢慢將其冷卻至室溫再滴加在用酸處理過(guò)的Ni2 +-云母基底上。采用AFM 原子力顯微鏡單分子力譜技術(shù)，在Mg2 + 存在的溶液中，Liphardt 等研究了形貌多變的RNA 分子的機(jī)械去折疊過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了從發(fā)夾結(jié)構(gòu)到三螺旋連接體這些RNA 分子三級(jí)結(jié)構(gòu)的過(guò)渡態(tài)。隨后他們又利用RNA 分子證實(shí)了可逆非平衡功函和可逆平衡自由能在熱力學(xué)上的等效性。）
2.4 核酸與蛋白質(zhì)復(fù)合物( Nuclearacids-Protein Complex)
DNA 和蛋白質(zhì)分子的特定相互作用在分子生物學(xué)中起著關(guān)鍵作用。蛋白質(zhì)與DNA 結(jié)合的精確位點(diǎn)圖譜和不同細(xì)胞狀態(tài)下結(jié)合位點(diǎn)的測(cè)定對(duì)于了解復(fù)雜細(xì)胞體系的功能與機(jī)理，特別是基因表達(dá)的控制都十分關(guān)鍵。原子力顯微鏡 作為一種高度分辨達(dá)0。1 nm，寬度分辨率為2 nm 左右的表面分析技術(shù)，已廣泛地用于表征各類DNA-蛋白質(zhì)的復(fù)合物。低濕度大氣條件下，Rees 等利用AFM 原子力顯微鏡在接觸模式下考察了λ2PL 啟動(dòng)子在啟動(dòng)和關(guān)閉轉(zhuǎn)錄過(guò)程中對(duì)DNA 鏈彎曲程度的影響。此外，這個(gè)小組還研究了另外一種λ2轉(zhuǎn)錄因子，Cro-蛋白對(duì)DNA 彎曲的影響。為了研究Jun 蛋白的結(jié)合是否會(huì)引起DNA 鏈的彎曲，Becker等利用原子力顯微鏡研究了包含一個(gè)AP21 結(jié)合位點(diǎn)的線性化質(zhì)粒DNA 與Jun 蛋白的復(fù)合物。Aizawa小組對(duì)DNA 蛋白激酶Ku 亞結(jié)構(gòu)域和雙鏈DNA斷裂的相關(guān)性進(jìn)行了研究。Kasas 等研究了大腸桿菌RNA 聚合酶（RNAP) 轉(zhuǎn)錄過(guò)程中的動(dòng)態(tài)酶活性。他們的方法是在Zn2 + 存在的條件下，RNAP 能夠松散或緊密地與DNA 模板進(jìn)行結(jié)合，通過(guò)AFM 原子力顯微鏡成像了解其動(dòng)態(tài)過(guò)程。
2.5 細(xì)胞( Cell)
原子力顯微鏡不僅能夠提供超光學(xué)極限的細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖像，還能夠探測(cè)細(xì)胞的微機(jī)械特性，利用AFM 原子力顯微鏡力-曲線技術(shù)甚至能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)細(xì)胞動(dòng)力學(xué)和細(xì)胞運(yùn)動(dòng)過(guò)程。利用原子力顯微鏡研究細(xì)胞很少用樣品預(yù)處理，尤其是能夠在近生理?xiàng)l件下對(duì)它們進(jìn)行研究。
利用AFM原子力顯微鏡 直接成像方法，可以對(duì)固定的活細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究。這些研究獲得了關(guān)于細(xì)胞器的構(gòu)造，細(xì)胞膜和細(xì)胞骨架更詳細(xì)的信息。將細(xì)胞固定在基底上再進(jìn)行原子力顯微鏡觀察，可以得到細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的皺褶，層狀脂肪物，微端絲和微絨毛等特征。由于細(xì)胞質(zhì)膜掩蓋了細(xì)胞內(nèi)部骨架，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了一種仔細(xì)剝離該層膜的方法,并利用AFM 原子力顯微鏡對(duì)剝離細(xì)胞膜后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。
原子力顯微鏡在細(xì)胞研究方面的一個(gè)*重要用途是對(duì)活細(xì)胞的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，細(xì)胞間的相互作用以及細(xì)胞對(duì)其內(nèi)外干擾因素的響應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，AFM原子力顯微鏡已經(jīng)可以對(duì)外來(lái)病毒感染的細(xì)胞進(jìn)行實(shí)時(shí)考察。原子力顯微鏡還可以研究活性狀態(tài)下血小板形狀的變化情況和培養(yǎng)的胰腺細(xì)胞對(duì)淀粉消化酶的響應(yīng)情況。
2.6病毒( Virus)
早期，AFM原子力顯微鏡 在生物學(xué)上的應(yīng)用主要集中在病毒研究。Kolbe 等S次研究了具有不同頭尾結(jié)構(gòu)的T4 噬菌體。Imai 及其合作者分別對(duì)煙草花葉病毒和各類噬菌體進(jìn)行了考察。煙草花葉病毒（ TMV) 或星形煙草花葉病毒（STMV) 是迄今研究得*多的病毒類型。在膠體溶液中，TMV非常類似已知的蛋白質(zhì)行為，可以采用研究蛋白質(zhì)的方法對(duì)其進(jìn)行考察。利用原子力顯微鏡，可以研究高度過(guò)飽和和輕微過(guò)飽和條件下TMV的二維成核生長(zhǎng)過(guò)程。AFM原子力顯微鏡研究表明，當(dāng)TYMV 暴露在平衡條件下的溶液中，TYMV 晶體的（101) 面逐層向上生長(zhǎng)，晶格的結(jié)構(gòu)缺陷如空位，單粒子，位錯(cuò)和聚集等現(xiàn)象在原子力顯微鏡圖上區(qū)分得十分清楚。Turner 等利用從AIDS 病毒中提取的逆轉(zhuǎn)錄酶修飾AFM原子力顯微鏡橫梁，使之成為一種能檢測(cè)抑制酶的活力和篩選使AIDS 病毒失活藥物的方法。自支撐磷脂膜與感冒病毒結(jié)合作用以及缺陷位點(diǎn)結(jié)構(gòu)上底物暴露的磷脂單層效應(yīng)和水合雙層磷脂的檢測(cè)被發(fā)展成了一種新型生物傳感器，這種傳感器能夠從其它大分子中識(shí)別特定的病毒物質(zhì)。這些結(jié)果都被原子力顯微鏡圖像所證實(shí)。
生物分子間力譜曲線的觀測(cè)
對(duì)生物分子表面的各種相互作用力進(jìn)行測(cè)量，是AFM原子力顯微鏡的一個(gè)十分重要的功能。這對(duì)于了解生物分子的結(jié)構(gòu)和物理特性是非常有意義的。因?yàn)檫@種作用力決定兩種分子的相互吸引或者排斥，接近或者離開(kāi)，化學(xué)鍵的形成或者斷裂，生物分子立體構(gòu)像的維持或者改變等等。在分子間作用力的支配下，還同時(shí)支配著生物體內(nèi)的各種生理現(xiàn)象、生化現(xiàn)象、藥物藥理現(xiàn)象，以及離子通道的開(kāi)放或關(guān)閉，受體與配體的結(jié)合或去結(jié)合，酶功能的激活或抑制等等。因此，生物分子間作用力的研究，在某種意義上說(shuō)，就是對(duì)生命體功能活動(dòng)中*根本原理的研究。這也為人們理解生命原理，提供了一個(gè)新的研究手段和工具。
將兩種分子分別固定于原子力顯微鏡的基底和探針J端上。然后使帶有一種分子的探針J端在垂直方向上不斷地接近和離開(kāi)基底上的另一種分子。這時(shí)，兩種分子間的相互作用力，就是二者間的相對(duì)距離的函數(shù)。這種力與距離間的函數(shù)關(guān)系曲線，稱之為力譜曲線。
利用AFM原子力顯微鏡獲得的力譜曲線在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：在探測(cè)一個(gè)細(xì)胞之后，根據(jù)所遇到的阻力，AFM就會(huì)賦予一個(gè)表明細(xì)胞柔軟度的數(shù)值。研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管正常細(xì)胞的硬度各有不同，但癌細(xì)胞比正常細(xì)胞要柔軟得多，所研究的胰腺、肺部和乳腺細(xì)胞均是如此。一些腫瘤的細(xì)胞可能比另外一些更為堅(jiān)硬，那就意味著這些腫瘤惡化轉(zhuǎn)移的可能性較小，對(duì)病人的威脅也較小。利用AFM原子力顯微鏡還可以研究不同藥物對(duì)癌細(xì)胞的影響。針對(duì)細(xì)胞用藥后，原子力顯微鏡可以觀察在藥物的作用下細(xì)胞的變化情況。這樣可以開(kāi)發(fā)出比當(dāng)前所用的藥物毒性更小、但同樣能夠阻止正常細(xì)胞發(fā)生癌變的藥物，以免因癌癥擴(kuò)散而危及生命。