扫描探针显微镜家族:显微镜中的多面手

扫描探针显微镜也许是所有显微镜中用途最广泛的一类。有了扫描隧道显微镜(STM)、扫描探针显微镜(SPM)和原子力显微镜(AFM),物质的几乎一切物理性质都可以被探测到:材料的磁性、电容、表面势、热学特性、声学特性等等性质,都有专门的SPM 可供来研究他们。

现在,AFM 发展到了可以配备软悬臂和纳米级针尖,生物学家可以用这种AFM 去研究原始生理环境下细胞和大分子的功能性质。离子电导显微镜可以用来测量神经元中膜通道蛋白的离子电流;AFM 可以表征受体与其配体的分子间作用力。

双螺旋结构在自然界中很常见:外太空星云的共轴双螺旋结构、植物茎的相互缠绕、面食中的支链淀粉、无机晶体、当然还有包含基因信息的DNA。Leonardo da Vinci 设计的优雅的双螺旋状楼梯是法国香波堡的建筑特色之一,这个楼梯的设计灵感来自笔者母校雷丁大学(University of Reading)化学系一个类似的楼梯。

显微镜已经成为分子生物学家的重要研究工具。众所周知,DNA 的双螺旋结构是由X射线衍射图样得到的。科学家通过透射电子显微镜(TEM)探测到信使RNA(一种可以与核糖体结合,并引导蛋白质合成的核酸)与源DNA 的杂交:DNA 的许多区域没有杂交结合,形成了内含子循环;进而确定了外显子(编码区)和内含子(非编码区)的存在。

随着SPM 的诞生,现在分子生物学家有了另一类表征生物大分子结构和性质的工具。软悬臂可以原生态地在生理溶剂中观察DNA 的双螺旋结构。通过使用能结合四种DNA 碱基类型的功能针尖,AFM 可以用来排列DNA。

范德瓦耳斯力是分子间除了共价键、氢键、静电相互作用之外的吸引力和排斥力的总和。这些力虽然很微弱,却是AFM 得以工作的关键。在仅有数纳米长的距离尺度上,范德瓦耳斯力强到足以使悬臂针尖偏转。最近,这个效应使得化学力的测量得以实现,在此基础上可以在原子精度上分辨合金表面的硅、锡、铅,这样又为SPM 家族的乐章增添了新的音符。

来源:Microscopy and Analysis

翻译:陶立