專利名稱:原子力顯微鏡的力示蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微觀力測量方法技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種原子力顯微鏡的力示蹤方法。
背景技術(shù)：
在單分子水平研究生物分子間相互作用的機(jī)制，對(duì)于深入了解生物分子的特異性識(shí)別、生化過程以及分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系具有極其重要的意義，并已經(jīng)成為目前生物、化學(xué)、物理交叉領(lǐng)域的一個(gè)前沿方向([I]陳宜張，林其誰，生命科學(xué)中的單分子行為及細(xì)胞 內(nèi)實(shí)時(shí)檢測，I，北京科學(xué)出版社，2005,1-11。[2]M. J. J. A. Dvorak, The application ofatomic force microscopy to the study of living vertebrate cells in culture， Methods，2003(29) :86_96)。
AFM單分子力譜法以其獨(dú)特的優(yōu)越性在生物單分子間相互作用的研究中發(fā)揮著十分重要的作用?，F(xiàn)有的AFM單分子力譜法具有如下的步驟
首先使壓電陶瓷掃描器和樣本表面保持一定距離，AFM探針與樣本表面沒有接觸，微懸臂不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；壓電陶瓷掃描器開始伸長，AFM探針和樣本表面接觸，微懸臂發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)壓電陶瓷掃描器伸長到用戶定義最大范圍時(shí)，壓電陶瓷掃描頭開始回縮，AFM探針遠(yuǎn)離樣本表面。
上述的AFM單分子力譜法在研究單粒子與細(xì)胞的相互作用方面存在著一定的缺陷，在實(shí)驗(yàn)過程中，AFM探針受壓電陶瓷掃描器的驅(qū)動(dòng)沿Z方向向細(xì)胞表面運(yùn)動(dòng)，細(xì)胞表面上的動(dòng)態(tài)過程，如內(nèi)吞、轉(zhuǎn)運(yùn)等也是在Z方向上的運(yùn)動(dòng)，這樣使得檢測到的力信號(hào)容易被認(rèn)為是AFM探針本身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的而不是細(xì)胞表面上的動(dòng)態(tài)過程產(chǎn)生的，因而微懸臂的偏轉(zhuǎn)也就不能直接客觀的反映細(xì)胞表面上的動(dòng)態(tài)過程。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的AFM單分子力譜法檢測到的力信號(hào)容易被認(rèn)為是AFM探針本身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的而不是細(xì)胞表面上的動(dòng)態(tài)過程產(chǎn)生的問題，本發(fā)明提供一種原子力顯微鏡的力示蹤方法。
本發(fā)明為解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下
原子力顯微鏡的力示蹤方法，該方法具有如下步驟
步驟一、首先,在進(jìn)行力示蹤測量前對(duì)AFM探針針尖進(jìn)行待測分子的修飾,力示蹤測量過程中，在反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制下完成進(jìn)針，之后關(guān)閉反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過得到的力-距離曲線確定AFM探針和被測物表面接觸時(shí)AFM探針在Z方向的位置；
步驟二、確定AFM探針和被測物表面接觸時(shí)AFM探針在Z方向的位置后，AFM探針會(huì)回縮至原位，AFM探針針尖修飾有檢測物，設(shè)定AFM探針和被測物表面接觸時(shí)的相關(guān)參數(shù)，開啟反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使AFM探針逐漸逼近被測物表面，當(dāng)AFM探針和被測物表面剛好接觸時(shí)，關(guān)閉反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)并停止進(jìn)針，當(dāng)檢測物與被檢測物之間有相互作用時(shí)微懸臂隨即發(fā)生偏轉(zhuǎn)；
步驟三、利用數(shù)據(jù)采集卡采集微懸臂偏轉(zhuǎn)隨時(shí)間變化關(guān)系并輸入至電腦進(jìn)行分析處理。
本發(fā)明的有益效果是當(dāng)AFM探針和被測物表面接觸后關(guān)閉反饋系統(tǒng)，使用數(shù)據(jù)采集卡采集AFM探針微懸臂偏轉(zhuǎn)隨時(shí)間的變化，這避免了壓電陶瓷掃描器驅(qū)動(dòng)AFM探針在Z方向的運(yùn)動(dòng)對(duì)被測物表面動(dòng)態(tài)過程研究的影響，而提供一種不施加驅(qū)動(dòng)力給被測物上方AFM探針的一種方法，這樣采集到的微懸臂偏轉(zhuǎn)情況隨時(shí)間變化完全來源于被測物表面上的動(dòng)態(tài)過程。AFM探針微懸臂的偏轉(zhuǎn)可以直接反映被測物表面的動(dòng)態(tài)過程。
本發(fā)明的原子力顯微鏡的力示蹤方法能用于研究葡萄糖、氨基酸等生物小分子在細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)過程，同時(shí)也適用于研究細(xì)胞內(nèi)吞病毒、納米粒子等粒子的動(dòng)態(tài)過程。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)的AFM單分子力譜法測量的力-距離曲線圖；
圖2為本發(fā)明的原子力顯微鏡的力示蹤方法電路原理圖；
圖3中A為轉(zhuǎn)運(yùn)體進(jìn)入細(xì)胞前微懸臂發(fā)生偏轉(zhuǎn)的示意圖，B分別為轉(zhuǎn)運(yùn)體進(jìn)入細(xì)胞后微懸臂發(fā)生偏轉(zhuǎn)的示意圖；
圖4中A、B、C分別為利用本發(fā)明所述的原子力顯微鏡的力示蹤方法測量葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)力和時(shí)間的關(guān)系圖、葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞前后的時(shí)間分布柱狀圖、葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞前后的轉(zhuǎn)運(yùn)力分布柱狀圖；
圖5中A和B分別為利用現(xiàn)有技術(shù)的AFM單分子力譜法測量葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞前后的力-距離曲線圖和葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞前后的轉(zhuǎn)運(yùn)力分布柱狀圖；
圖6為利用本發(fā)明的原子力顯微鏡的力示蹤方法測量得到的細(xì)胞內(nèi)吞金納米粒子的力與時(shí)間關(guān)系圖；
圖7為利用本發(fā)明的原子力顯微鏡的力示蹤方法測量得到的氨基酸進(jìn)入細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)的力與時(shí)間關(guān)系圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖2所示，原子力顯微鏡的力示蹤方法，該方法具有如下步驟
步驟一、首先,在進(jìn)行力示蹤測量前對(duì)AFM探針針尖進(jìn)行待測分子的修飾。力示蹤測量過程中，在反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制下完成進(jìn)針，之后關(guān)閉反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過得到的力-距離曲線確定AFM探針和被測物表面接觸時(shí)AFM探針在Z方向的位置；
步驟二、確定AFM探針和被測物表面接觸時(shí)AFM探針在Z方向的位置后，AFM探針會(huì)回縮至原位，AFM探針針尖修飾有檢測物，設(shè)定AFM探針和被測物表面接觸時(shí)的相關(guān)參數(shù)，開啟反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使AFM探針逐漸逼近被測物表面，當(dāng)AFM探針和被測物表面剛好接觸時(shí)，關(guān)閉反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)并停止進(jìn)針，當(dāng)檢測物與被檢測物之間有相互作用時(shí)微懸臂隨即發(fā)生偏轉(zhuǎn)；
步驟三、利用數(shù)據(jù)采集卡采集微懸臂偏轉(zhuǎn)隨時(shí)間變化關(guān)系并輸入至電腦進(jìn)行分析處理。[0026]上述的步驟一中，反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由控制器、掃描器、微懸臂、AFM探針、激光檢測器組成，掃描器在控制器的控制下按照特定方向伸長或縮短，微懸臂的一端安裝在掃描器上，另一端安裝有AFM探針，通過反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用實(shí)現(xiàn)進(jìn)針或回針。
上述的步驟ニ中,相關(guān)參數(shù)表示的是AFM探針和樣本表面剛好接觸時(shí)AFM探針在Z方向的位置，相關(guān)參 數(shù)由步驟一得到的力-距離曲線來確定，力與距離的關(guān)系可用公式F=C ·S表示，其中F為AFM探針與樣本表面作用時(shí)受到的力，C為微懸臂彈性系數(shù)，S為AFM探針移動(dòng)的距離。
上述的步驟ニ中，檢測物包括ー個(gè)單分子、多個(gè)單分子或ー個(gè)納米粒子。
上述的步驟ニ中，當(dāng)關(guān)閉反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)并停止進(jìn)針吋，由于被測物與檢測物之間發(fā)生內(nèi)吞或轉(zhuǎn)運(yùn)作用，AFM探針針尖受到被測物與檢測物產(chǎn)生的力的作用，使AFM探針遠(yuǎn)離被測物表面，此時(shí)微懸臂發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
上述的步驟三中，數(shù)據(jù)采集卡將采集到的AFM探針與樣本表面作用時(shí)受到的力和AFM探針移動(dòng)的距離輸入至電腦，AFM系統(tǒng)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。
上述的步驟ー和步驟ニ中，被測物包括細(xì)胞膜，人工磷脂膜，人工納米孔，能內(nèi)吞或轉(zhuǎn)運(yùn)單個(gè)分子及顆粒的體系。
上述能內(nèi)吞或轉(zhuǎn)運(yùn)單個(gè)分子及顆粒的體系具體指的是能內(nèi)吞單個(gè)分子及顆粒的體系，或能轉(zhuǎn)運(yùn)單個(gè)分子的體系。
本發(fā)明的原子力顯微鏡的カ示蹤方法在接觸模式、非接觸模式和敲擊模式下均可適用。
實(shí)施例I葡萄糖分子在細(xì)胞膜上轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)態(tài)過程研究
在反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制下完成進(jìn)針后，通過得到的力-距離曲線確定AFM探針和細(xì)胞膜表面接觸時(shí)AFM探針在Z方向的位置；將葡萄糖分子修飾到AFM探針針尖上，設(shè)定AFM探針和細(xì)胞膜表面接觸時(shí)的カ為100皮牛以內(nèi)，開啟軟件調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使AFM探針逐漸逼近細(xì)胞膜表面，當(dāng)AFM探針和細(xì)胞膜表面接觸時(shí)カ為100皮牛以內(nèi)時(shí)，停止進(jìn)針，微懸臂隨即發(fā)生偏轉(zhuǎn)；利用數(shù)據(jù)采集卡采集微懸臂偏轉(zhuǎn)隨時(shí)間變化關(guān)系并輸入至電腦進(jìn)行分析處理。
如圖4中A、B、C和圖5中A、B所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(I)得出的轉(zhuǎn)運(yùn)カ避免了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)AFM探針在Z方向的運(yùn)動(dòng)對(duì)細(xì)胞膜上動(dòng)態(tài)過程研究的影響。(2)能夠得出葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞時(shí)間。通過實(shí)驗(yàn)解釋了葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。
實(shí)施例2細(xì)胞膜內(nèi)吞金納米粒子的動(dòng)態(tài)過程研究
在反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制下完成進(jìn)針后，通過得到的力-距離曲線確定AFM探針和細(xì)胞膜表面接觸時(shí)AFM探針在Z方向的位置；將金納米粒子修飾到AFM探針針尖上，設(shè)定AFM探針和細(xì)胞膜表面接觸時(shí)的カ為100皮牛以內(nèi)，開啟軟件調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使AFM探針逐漸逼近細(xì)胞膜表面，當(dāng)AFM探針和細(xì)胞膜表面接觸時(shí)カ為100皮牛以內(nèi)時(shí)，停止進(jìn)針，微懸臂隨即發(fā)生偏轉(zhuǎn)；利用數(shù)據(jù)采集卡采集微懸臂偏轉(zhuǎn)隨時(shí)間變化關(guān)系并輸入至電腦進(jìn)行分析處理。
如圖6所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(I)得出的轉(zhuǎn)運(yùn)カ避免了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)AFM探針在Z方向的運(yùn)動(dòng)對(duì)細(xì)胞膜上動(dòng)態(tài)過程研究的影響。(2)能夠得出金納米粒子進(jìn)入細(xì)胞的時(shí)間和力的大小。通過實(shí)驗(yàn)解釋了細(xì)胞膜內(nèi)吞金納米粒子的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。[0040]實(shí)施例3氨基酸分子在細(xì)胞膜上轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)態(tài)過程研究
在反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制下完成進(jìn)針后，通過得到的力-距離曲線確定AFM探針和細(xì)胞膜表面接觸時(shí)AFM探針在Z方向的位置；將氨基酸分子修飾到AFM探針針尖上，設(shè)定AFM探針和細(xì)胞膜表面接觸時(shí)的カ為100皮牛以內(nèi)，開啟軟件調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使AFM探針逐漸逼近細(xì)胞膜表面，當(dāng)AFM探針和細(xì)胞膜表面接觸時(shí)カ為100皮牛以內(nèi)時(shí)，停止進(jìn)針，微懸臂隨即發(fā)生偏轉(zhuǎn)；利用數(shù)據(jù)采集卡采集微懸臂偏轉(zhuǎn)隨時(shí)間變化關(guān)系并輸入至電腦進(jìn)行分析處理。
如圖7所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)得出的轉(zhuǎn)運(yùn)カ避免了壓電陶瓷驅(qū) 動(dòng)AFM探針在Z方向的運(yùn)動(dòng)對(duì)細(xì)胞膜上動(dòng)態(tài)過程研究的影響。(2)能夠得出氨基酸分子進(jìn)入細(xì)胞的時(shí)間和力的大小。通過實(shí)驗(yàn)解釋了氨基酸分子在細(xì)胞膜上轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。
權(quán)利要求
1.原子力顯微鏡的力示蹤方法，其特征在于，該方法具有如下步驟 步驟一、首先，在進(jìn)行力示蹤測量前對(duì)AFM探針針尖進(jìn)行待測分子的修飾,力示蹤測量過程中，在反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制下完成進(jìn)針，之后關(guān)閉反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過得到的力-距離曲線確定AFM探針和被測物表面接觸時(shí)AFM探針在Z方向的位置； 步驟二、確定AFM探針和被測物表面接觸時(shí)AFM探針在Z方向的位置后，AFM探針會(huì)回縮至原位，AFM探針針尖修飾有檢測物，設(shè)定AFM探針和被測物表面接觸時(shí)的相關(guān)參數(shù)，開啟反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使AFM探針逐漸逼近被測物表面，當(dāng)AFM探針和被測物表面剛好接觸時(shí)，關(guān)閉反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)并停止進(jìn)針，當(dāng)檢測物與被檢測物之間有相互作用時(shí)微懸臂隨即發(fā)生偏轉(zhuǎn); 步驟三、利用數(shù)據(jù)采集卡采集微懸臂偏轉(zhuǎn)隨時(shí)間變化關(guān)系并輸入至電腦進(jìn)行分析處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的原子力顯微鏡的力示蹤方法，其特征在于，檢測物包括一個(gè)單分子、多個(gè)單分子或一個(gè)納米粒子。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的原子力顯微鏡的力示蹤方法，其特征在于，被測物包括細(xì)胞膜，人工磷脂膜，人工納米孔，能內(nèi)吞或轉(zhuǎn)運(yùn)單個(gè)分子及顆粒的體系。
4.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的原子力顯微鏡的力示蹤方法，其特征在于，反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由控制器、掃描器、微懸臂、AFM探針、激光檢測器組成，掃描器在控制器的控制下按照特定方向伸縮，微懸臂的一端安裝在掃描器上，另一端安裝有AFM探針。
專利摘要
原子力顯微鏡的力示蹤方法，涉及微觀力測量方法技術(shù)領(lǐng)域：
，解決了現(xiàn)有的AFM單分子力譜法檢測到的力信號(hào)容易被認(rèn)為是AFM探針本身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的而不是細(xì)胞表面上的動(dòng)態(tài)過程產(chǎn)生的問題。原子力顯微鏡的力示蹤方法，在反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制下完成進(jìn)針后，關(guān)閉反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過得到的力-距離曲線確定AFM探針和被測物表面接觸時(shí)AFM探針在Z方向的位置；AFM探針逐漸逼近被測物表面，當(dāng)AFM探針和被測物表面剛好接觸時(shí)，關(guān)閉反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)并停止進(jìn)針，微懸臂隨即發(fā)生偏轉(zhuǎn)；利用數(shù)據(jù)采集卡采集微懸臂偏轉(zhuǎn)隨時(shí)間變化關(guān)系。本發(fā)明避免了壓電陶瓷掃描器驅(qū)動(dòng)AFM探針在Z方向的運(yùn)動(dòng)對(duì)被測物表面動(dòng)態(tài)過程研究的影響。
文檔編號(hào)G01Q60/24GKCN102662087SQ201210146642
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年5月11日
發(fā)明者單玉萍, 潘延剛, 王宏達(dá), 蔣俊光, 蔡明軍 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan