全 文 ：植物学通报 2006, 23 (6): 708~717
Chinese Bulletin of Botany
收稿日期: 2006-06-13; 接受日期: 2006-08-26
基金项目: 国家重点基础研究发展规划项目(No. 2004CB418505)和教育部重点项目(No. 104191)
* Author for correspondence. E-mail: zygorl@public.hr.hl.cn
.专题介绍.
原子力显微镜在植物学研究中的应用
祖元刚*,张宇亮,刘志国,王延兵,梁慧丽,刘红梅
东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室, 哈尔滨 150040
摘要 原子力显微镜(AFM)是一种探测样品表面信息的有力工具, 它可以在空气和接近样品生理条件
下成像, 同时也可以在皮牛(pico-Newton, 10-12 N)至微牛(micro-Newton, 10-6 N)水平上测量力的大小。
本文主要介绍了自AFM发明以来, 其在植物大分子、细胞器、细胞、叶片等方面的应用, 并列举了目前
AFM存在的几点不足。
关键词 原子力显微镜, 植物, 表面结构, 形貌图
Application of Atomic Force Microscope in Plant
Biology Research
Yuangang Zu*, Yuliang Zhang, Zhiguo Liu, Yanbing Wang, Huili Liang, Hongmei Liu
Key Laboratory of Forest Plant Ecology of Ministry of Education, Northeast Forestry
University, Harbin 150040, China
Abstract Atomic force microscope (AFM) is a powerful tool for high-resolution imaging of the surface of
samples under air or physiological conditions in measurements ranging from pico-Newtons (10-12 N) to micro-
Newtons (10-6 N). In this paper, we discuss the potential application of AFM in plant biology research of, for
example, macromolecules, organelles, cells, and leaves, and summarize the current limitations of the technique.
Key words atomic force microscope, plant, surface structure, topography
1986年, Binnig等在扫描隧道显微镜(STM)
的基础上发明了世界第一台原子力显微镜
(atomic force microscope, AFM) (Binnig et al.,
1986)。历经 20年的发展, AFM已成为力学显
微镜家族中重要的一员, 被广泛地应用于生命科
学领域, 充当了人们认识微观世界“眼”(观察
表面信息)和“手”(纳米加工和操纵)的双重角
色。STM因依靠隧道电流成像, 所以要求样品
必须导电。AFM则克服了这一缺点, 制样简
单, 不需要任何导电、喷金、包埋和荧光染料
染色等繁琐且技术性要求较高的样品处理过程,
节省了大量的时间和经费, 分辨率可以达到1 Å,
远高于环境扫描电子显微镜(ESEM), 略高于透射
电子显微镜(TEM)。可直接将样品黏附于云
母、石墨、硅片和玻片等平整的基底表面进
行扫描, 还可以在接近生理条件下成像, 符合生
命科学的实验要求。AFM在植物学研究中的
应用虽然仅局限在几个方面, 但表现出了独特的
优势。目前关于AFM在植物学领域的应用缺
少系统的介绍。基于此, 本文结合国内外的研
究成果概述介绍AFM及其应用, 希望给从事植
物学研究的科研人员在解决实际问题时提供一
7092006 祖元刚 等: 原子力显微镜在植物学研究中的应用
些新的思路。
1 AFM简介
AFM是利用光杠杆原理产生的光束偏转
技术研制而成的。在一个对形变极为敏感的
微悬臂 (cantilever)的一端安装纳米级的针尖, 扫
描时样品和针尖存在力的相互作用, 使微悬臂产
生形变, 导致从针尖背面反射到四象限检测器的
激光束发生微弱变化, 继而产生电压差, 最后将
这些电压信号转换为图像。AFM共由偏转检
测系统、探针、扫描系统(压电陶瓷)、反馈
系统和显示系统五部分组成。用于分析的模
式有接触模式(contac t mode)和振荡模式
(oscillating mode)两种成像模式和一种力模式
(force mode)。 使用接触模式进行扫描时, 针尖
与样品相互接触, 所成的图像具有较高的分辨
率, 通常用来检测样品的物理属性, 由于剪切力
的存在, 对样品有一定损伤, 很少用于探测生物
样品。振荡模式是靠声学(tapping mode)或磁
力(magneticalty)驱动, 针尖和样品只有短暂接
触, 作用力较小, 常用于生物样品成像。与前
两种模式不同, 力模式不能用于成像, 而是用来
测量针尖与样品表面之间相互作用力。探针
是AFM的重要部件, 探针的好坏直接决定着实
验的成败。探针因生产厂家而异, 主要有Si针
尖、Si3N4针尖和最近几年发展起来的碳纳米
管针尖(国立秋等, 2003)等几种类型。因为探针
的形状、力常数、固有频率等参数不同, 适合
的工作范围也不同, 应根据实验需要甄选。至
于更详尽的AFM原理国内已有相关介绍(朱杰
和孙润广, 2005)。
2 AFM在植物生物大分子研究中的
应用
2.1 DNA
DNA是生命体的主要遗传物质, 研究它的
结构和功能, 有利于了解生命过程中遗传信息的
储存和传递过程。Lindsay等(1989)率先用
AFM对DNA分子进行了观察。随后, 科研人
员对 DNA 的 AFM成像进行了大量的研究
(Weisenhorn et al., 1990; Hansma et al., 1991)。
现在关于 DNA的实验日臻完善, 刘志国等
(2005)运用了二价阳离子和 3-aminopropylt-
riethoxysilane (APTES)修饰的云母来固定 DNA
分子, 给出了用于DNA 分子成像的合适的 DNA
浓度和二价离子浓度, 在不同的APTES修饰云
母的方法中, 液相溶液修饰的方法能获得较好的
效果; 当使用较高浓度的 DNA 分子成像时, 观
察到了 DNA 的网络; 展示了一种简单的伸展长
链 DNA 分子的方法; 讨论了最佳的成像条件和
AFM的操作技术并对各种固定DNA 的方法进
行了比较和评估。更多的理论和应用参见国
内有关文献(郑伟民和蔡继业, 2006)。
2.2 蛋白质
植物细胞中含有成百上千种蛋白质, 占细
胞干重的比例仅次于纤维素, 是植物细胞的重要
组成部分。蛋白质通过结构的改变——构象
的变化来行使功能, 人们采用很多手段分析蛋白
质的结构和功能。而AFM在蛋白质研究中的
应用成为电子显微镜(EM)、X射线结晶学(X-
ray crystallography)和核磁共振(nuclear mag-
netic resonance, NMR)技术的有力补充。
膜蛋白的晶体结构解析是国际公认的难题,
而光合作用相关蛋白历来是植物学家们关注的
焦点。如2004年, 我国科学家成功解析了菠菜
(Spinacia oleracea)主要捕光复合物LH-CⅡ晶
体结构, 这项成果引起了国内外学者的普遍关注
(Liu et al., 2004)。利用AFM最早实现了对单
个光系统Ⅱ颗粒及光系统Ⅱ衍生物的观测
(Lyon et al., 1993; Shao et al., 1997)。Kernen 等
(1998)采用Langmui-Blodgett (LB) 技术分离捕光
复合物, 借助AFM了解到在单分子蛋白质和蛋
白质脂质混合膜上存在类似环形的结构。然
而Trudel等(2001)利用AFM和近场光学显微镜
(SNOM)观察吸附在二氯苯脲膜上的光系统Ⅱ
中心复合物(PSⅡ CC)呈圆球状, 推断前人所得
710 23(6)
环形结果的原因可能是由于力过大对样品造成
了一定的损伤。ATP合酶为较大的蛋白复合
体, 它磷酸化ADP生成ATP。Seelert等(2000)
在25 mmol.L-1 MgCl2、10 mmol.L-1 Tris-HCl、
pH 7.8、室温条件下对菠菜叶绿体ATP合酶亚
基Ⅲ低聚物进行AFM成像, 结果表明这种低聚
物形状为两种不同外径的圆环, 较窄的为(5.9 ±
0.3) nm, 较宽的为(7.4 ± 0.3) nm, 而内径均为(3.5
± 0.3) nm, 并且都存在14个亚基。他们又在脂
双分子膜片段上重建亚基Ⅲ低聚物, 测得脂双分
子层的厚度为(4.1 ± 0.2) nm, 蛋白质的厚度为
(7.6 ± 0.2) nm, 低聚物圆环尺寸与以前的实验结
果一致(Seelert et al., 2003)。在室温下, 接触模
式观察到完整的菠菜叶绿体ATP合酶的最大
外径同样为(7.4 ± 0.3) nm, 不完整的ATP合酶
为(7.3 ± 0.3) nm, 出现不完整的ATP合酶可能
是由于使用SDS凝胶所致(Muller et al., 2001)。
水通过脂双层膜所需的活化能大于细胞膜表面
的活化能, 由此产生了水通道假说。Fotiadis等
(2001)借助扫描透射电子显微镜(STEM)和AFM
观察PM28A和PM28C两种水通道蛋白亚型晶
体, 发现了两种不同的类型, 一种是P4212对称,
晶格矢量为a=b=(9.76±0.06) nm; 一种是紧密
堆积的四聚体六方晶格, 晶胞的尺寸规格为
a=b=(8.58±0.18) nm。对于其它蛋白质的AFM
实验也相继进行。Leite等(2002)在液相下得到
了 Schizolobium parahyba种子中的胰凝乳蛋
白酶抑制剂低聚物的六角形、椭圆形、Z字
型、彗星形、金字塔形共5种结构; Bittencourt
等(2003)对一种植物胞浆蛋白Enterolobin的分
子模型和AFM图像进行比较, 取得一致的结
果; 在亲水表面测量玉米醇溶蛋白(zein)高度为
40 nm, 粗糙度为6.97 nm; 疏水表面的蛋白高度
均一, 粗糙度为 1.88 nm(Wang et al., 2004);
McIntire等(2005)采用非接触模式分析了六倍体
转基因小麦(Triticum aestivum)高分子量麦谷蛋
白亚基的结构(high-molecular-weight glutenin
subunits, HMW-GS); 关于嘌呤吲哚蛋白基因
PIN-a与二棕榈酰磷脂酰胆碱(DPPC)相互作用
的研究结果表明, DPPC单层膜较亮处为液体压
缩相(liquid condensed phase, LC), 较暗处为液
体扩展相(liquid expanded phase, LE), 加入PIN-
a后LE与LC相发生颠倒, 其中LE相有大量浓
厚的网状聚集, LC相出现众多球形凸起(Dubreil
et al., 2003)。分子识别力学显微镜(MRFM)是
一种特殊的AFM, 应用MRFM对豌豆(Pisum
sativum)血凝素 (Pisum sativum lectin, PSL)、甘
露醇结合血凝素(mannan-binding lectin, MBL)和
麦胚素 (wheat-germ agglutinin, WGA) 3种植物
血凝素的识别已获得成功(Klein et al., 2003)。
2.3 细胞壁
细胞壁是由多糖、蛋白质、芳香族化合
物组成的复合体, 是植物的重要组成部分, 也是
区别于动物的特征之一。它主要起支撑作用,
同时参与细胞识别、保护植物细胞免受外界
病菌的侵扰等。1665年, 罗伯特.胡克首先用显
微镜发现了植物细胞壁的微观结构。随着实
验手段的改进, 包括各种染色技术和显微镜技
术的发展, 使人们对细胞壁的结构有了进一步的
认识。近几年, AFM逐渐应用到细胞壁的相关
研究中。
2.3.1 细胞壁多糖 纤维素以微纤丝(microfibril)
的形式存在, 光学显微镜无法看到微纤丝的结
构。1996年, Kirby 等用AFM分别观察了苹果
(Malus pumila)、 荸荠(Eleocharis dulcis)、马
铃薯(Solanum tuberosum)和胡萝卜(Daucus
carota) 几种植物软组织细胞壁的超级结构
(Kirby et al., 1996)。他们将样品分为冻融和鲜
样两组, 测得微纤丝的直径为 25 nm。单个细
胞壁多糖分子(Morris et al., 1997)、洋葱 (Allium
cepa)和拟南芥初生壁的结构(Davies and Harris,
2003)、细胞壁多糖复合物鼠李半乳糖醛酸聚
糖(RG-Ⅱ)分子(Perez et al., 2003)的AFM成像
相继获得成功; Yan等(2004)对原始细胞壁进行
观察, 发现细胞壁表面覆盖一层蜡质, 初生壁和
次生壁的纤维素和半纤维素呈网状排列, 木质素
7112006 祖元刚 等: 原子力显微镜在植物学研究中的应用
位于网络表面, 次生壁中有单晶和三晶的纤维
素晶体结构存在, 同时对相图(phase)进行了分
析。与以往的提取方式不同, Ding和Himmel
(2006)直接观察玉米(Zea mays)初生壁微纤丝,
提出了纤维网络理论及其合成过程。一些针
对细胞壁结构和功能相关的化学、物理处理
先后展开。分析纤维素酶对棉花纤维的作用
时, AFM图像提供了最直观的证据。CBH I纤
维素酶单独作用6小时, 沿微纤丝伸展方向出现
明显的缝隙; EGⅡ纤维素酶单独作用6小时, 纤
维表面剥落且光滑; EG Ⅱ先作用6小时, 然后
CBHⅠ作用6小时, 纤维膨胀且光滑, 无缝隙, 可
能是由于吸附EG Ⅱ后影响了CBHⅠ的作用;
而CBHⅠ和EGⅡ同时加入作用6小时, 无法辨
认出微纤丝的轮廓, 推断两种纤维素酶同时存在
时才会使棉花纤维降解(Lee et al., 2000)。
Thimm等(2000)对芹菜(Apium graveolens)软组
织细胞的研究表明, 在脱水过程中微纤丝的直径
增加, 冻干后微纤丝的直径大于空气干燥的直
径。Yoshino等(2000)利用AFM观察经过氙气
处理过的大麦(Hordeum vulgare)胚芽鞘细胞, 与
对照相比, 在空气中经0.1 MPa氙气处理, 细胞
壁变得粗糙, 120 nm宽、5 nm高的纤维结构分
布于初生壁中; 而在溶液中经0.38 MPa氙气处
理后的细胞壁局部粗糙, 局部平滑; 0.48 MPa处
理的则变得光滑。经紫外线处理后, 葡萄(Vitis
vinifera)细胞壁表面出现了果胶分子链, 证明细
胞壁具有抵抗紫外线的能力(Lesniewska et al.,
2004)。由黑云杉(Picea mariana) 制成的牛皮
纸纸浆样品经过过氧化氢 (H2O2)漂白后, 纤维
表面出现球状的木质素分子堆积, 证明了H2O2
能够氧化纤维素和木质素两种生物大分子
(Poggi et al., 2005)。
2.3.2 木质素 木质素是高度复杂的酚类大分
子, 通常与纤维素、细胞壁多糖相结合, 具体
结构还不十分清楚(Taiz and Zeiger, 2002)。木
质素主要用于抵抗机械胁迫和重力影响。结
合功能化AFM和环境扫描电镜技术(ESEM),
Micic等(2001)对于光化学木质素模型化合物作
力曲线分析, 表明其中分子不存在主客体的相互
作用, 推测这些分子可能在地球表面存在过多
紫外线照射的条件下行使功能。他们随后应
用SNOM和AFM对木质素模型化合物的物理
化学属性和组装形式进行研究(Micic et al.,
2004)。Radotic等(2005)通过实验在木质素圆
球直径上获得具有3个峰值 (cohesion peaks)的
力曲线, 结合ESEM判断可能有水或气体充斥在
木质素的亲水和疏水区域, 这种结构可以减少质
量, 同时减轻外界环境对细胞的胁迫。
2.4 淀粉
淀粉是植物细胞内的主要贮存多糖, 是人
类的主要食物来源, 在植物生长期间以淀粉粒形
式存在。利用低压扫描电镜(LVSEM)和AFM
对小麦和马铃薯淀粉粒表面进行观察, 发现表面
有100~300 nm的凸起, 20~50 nm宽的平面, 而
小麦表面凸起较少, 仅有20 nm的平面(Baldwin
et al., 1997)。在水稻淀粉粒上则有30 nm左右
的颗粒存在, 偶尔伴有支链结构排列(Ohtani et
al., 2000)。在空气中干燥后的马铃薯椭圆形淀
粉颗粒表面出现不均一的波纹; 烘干的淀粉颗
粒出现孔洞; 经过烘干再冰冻处理, 淀粉颗粒表
面无变化, 而空气干燥再冰冻后可见到40~70 nm
的类似于墙壁的环型凸起, 这种变化在液相下观
察烘干的冰冻处理样品更为明显; 而处于潮湿
环境中的样品表面有折叠现象(Szymonska et al.,
2000)。Nordmark和 Ziegler(2002)对玉米的直
链淀粉非球形颗粒进行分析, 发现放射状的晶体
片层结构。直链淀粉和支链淀粉的研究显示
淀粉表面覆盖 15~35 nm宽, 1~4 nm高的凸起
(Rindlav-Westling and Gatenholm, 2003)。淀粉
粒的超微结构有簇结构和止水塞两种模型。
其中止水塞(blocklet)指的是生长环的结晶层与
非结晶层中类似球状的结构, 大小和形态因其存
在的位置不同有很大的差异, AFM为止水塞模
型提供了证据(Gallant et al., 1997; Ridout et al.,
2003; Szymonska and Krok, 2003)。
712 23(6)
3 AFM在植物细胞及亚细胞结构研究
中的应用
染色体的结构与功能的研究一直是细胞学
和遗传学中的重大课题。Winfield 等(1995)首
次报道了应用 AFM观察植物染色体的研究。
他们采用常规方法分离小麦染色体, 没有经过染
色和喷金处理而直接进行观察, 并测量了染色体
表面的高度, 发现C带高135 nm, 且成对存在。
Schaper等(2000)将场发射扫描电镜 (FESEM)和
AFM联用, 分析有丝分裂时期的大麦染色体形
态变化。液相下, AFM图像显示前中期染色表
面凝聚, 后期出现染色单体裂隙, 末期着丝粒区
域清晰可见; 气相下, 经过蛋白激酶K作用后的
染色体表面出现网状结构。其他研究人员利
用SNOM与AFM测量经荧光原位杂交 (FISH)
处理的大麦染色体的高度和荧光强度, 取得了良
好的效果(Ohtani et al., 2002; Yoshino et al., 2002;
Fukushi et al., 2003; Shichiri et al., 2003)。Liu等
(2003)用2 mol.L-1 NaCl从大麦染色质中提取分
子量为4和20 kD的两个非组蛋白后, 由AFM
的图像了解到染色质的粗糙度增加, 高度减小,
为研究非组蛋白与 DNA的关系提供了新思
路。通过用 15%、30%、45%三种浓度的乙
酸处理大麦染色体, 结果表明, 30%浓度处理可
以得到清晰的染色体形貌, 为研究染色体有序结
构创造了条件(Sugiyama et al., 2004)。在染色
体结构中, 着丝粒与其它区域完全不同, 并且这
个区域的染色质纤维结合紧密, 不易观察。为
了解决这个问题, 引入了一种利用显微操作技术
(micromanipulation technique)机械伸长着丝粒
的方法, 实现了对着丝粒区域内染色质纤维的成
像(Otobe et al., 2002)。
Butt等(1990)首先将AFM用于植物细胞的
观察。他们获得了南紫薇(Lagers t roemia
subcostata)的叶片表皮及气孔的图像, 由于表皮
较厚, 没能展示200 nm以下的更多细节; 而水
生植物香睡莲(Nymphaea odorata)表皮相对较
薄, 可以见到表皮微纤丝结构。van der Wel等
(1996)用5%戊二醛固定玉米原生质体, 气相下
获得了清晰的AFM图像, 液相下样品易碎导致
成像困难, 而未固定的样品则无法成像, 可能是
因为扫描时原生质体已经涨破或针尖对原生质
体有一定的损伤; 他们又将新鲜的长寿花
(Kalanchoe blossfeldiana)和玉米花粉粘在双面
胶带上, 直接进行 AFM 扫描, 所得图像与
FESEM一致。邢树平等(2000)将AFM应用到
裸子植物雪松( C e d r u s d e o d a r a )和水杉
(Metasequoia glyptostroboides)花粉外壁结构的
研究中, 发现雪松花粉外壁有很多球状和短棒状
结构: 而云杉表面则存在许多颗粒状亚单位, 支
持了Southworth提出的网络状模型, 即花粉外
壁是颗粒状结构在三维空间的一种无方向性的
网状连接。扫描 Lacandonia schismatica和银
杏 (Ginkgo biloba)细胞核的半薄切片分别得到
核膜、核孔、染色质、核仁等结构的 AFM
图像(Jimenez-Garcia and Fragoso-Soriano,
2000)。随后研究发现细胞核内存在32 nm左右
的颗粒, 推断G期的银杏细胞核为网状, 存在
Lacandonia颗粒(Jimenez-Ramirez et al., 2002)。
Yamada等(2002)获得了白色体和叶绿体的形貌
图, 并在生理缓冲液中测量表面物理弹性。在
见光转换为叶绿体之前, 白色体表面比较光滑坚
硬, 转换后表面变得粗糙柔软, 白色体的粗糙度
为叶绿体的20倍。Gradinaru 等(2004)把AFM
和双光子共聚焦显微镜(confocal two-photon
fluorescence microscope)组装成多元显微镜
(multiplex microscope), 解决了AFM专一性不
强、定位与鉴定困难的问题, 也克服了光学显
微镜分辨率不高的缺点。他们从新鲜的菠菜
叶片中提取叶绿体, 置于多元显微镜上, 观察到
未垛叠的叶绿体基粒呈规则的圆形, 直径在
200~1 000 nm之间, 同时记录了对应部位的荧光
强度。Kirchhoff 等(2004)从形貌图上测量菠菜
类囊体内膜脂双层的高度为5.5 nm, 高于PSⅡ
三聚体(4.8 nm), 这种差异是由于膜蛋白的存在
7132006 祖元刚 等: 原子力显微镜在植物学研究中的应用
造成的。Fukumoto等(2005)使用显微操作技术
分选日本落叶松(Larix leptolepis)原生质体中新
形成的纤维, 经AFM测得束状纤丝(fibiril)和亚
纤丝(subfibril)直径分别为 700和 170 nm。
Marga 等(2005)通过实验证明细胞壁的伸长导致
微纤丝的分离, 符合多网络生长假说(multi-net
growth hypothesis)。
4 AFM在植物学其它研究中的应用
植物叶片是感受外界环境变化的敏感器官,
以往的研究多是从宏观角度出发。而电镜的
样品处理过程在一定程度上破坏了叶片表面的
真实形态, AFM的出现使接近活体状态的研究
成为可能。对大果越橘 ( V a c c i n i u m
macrocarpon)的观察展示了叶面生境的异质性,
和新叶相比, 老叶皱缩, 表面粗糙度增加
(Mechaber et al., 1996)。定量分析叶表面疏水
结构时, 观察到天南星科植物海芋(Alocasia
macrorrhiza)叶表面具有很多凸起(Wagner et al.,
2003)。Perkins 等(2005)在研究月桂樱桃
(Prunus laurocerasus)叶表面机械及化学属性
时, 测量了叶表面的粗糙部分的平均粗糙度为
5.6 nm, 平滑部分的粗糙度为 1.4 nm。AFM还
可以用来做动态分析。Benitez 等(2004b)最早
利用AFM对角质的化学合成作了辅助分析, 然
后结合红外光谱(FT-IR)描述了角质的分子特征
(Benitez et al., 2004a)。根据DLVO理论, Liou
等(2002)在人工合成的脂双层膜上获得了磷酸
化的图形, 并对磷酸化和去磷酸化动力学特征进
行分析; Gunning等(2004)记录了多聚物在分子
水平上的吸附和解吸附的过程。Shankar等
(2004)观察种子萌芽过程时发现有三角形纳米
颗粒形成, 颗粒的厚度为 14 nm, 边长440 nm。
AFM在低等植物中也有应用, Callow等(2000)
通过实验测得缘管浒苔(Enteromorpha linza)糖
蛋白黏附力平均为(173 ± 1.7) nN.m-1, 最大为
458 nN.m-1。
5 AFM存在问题及应用展望
AFM发展至今, 已经在很多领域得到了广
泛的应用。同其它技术一样, AFM仍然有许多
地方需要改进。(1)垂直高度, AFM依靠针尖与
样品的相互作用成像, 对样品的高度有一定限
制, 如果样品垂直高度超过8~10 mm时成像较
难。(2)针尖污染, 在气相下, 存在各种污染物, 针
尖极易污染。可以采用扫描粗糙碳膜的方法
加以解决; 液相下则无此限制, 针尖本身振动, 可
以自动清除污染。另外加工工艺和仪器自身
的改进, 使这种影响逐渐减小。(3)增宽效应, 所
谓的增宽效应是指当粒子尺寸比AFM的针尖
曲率半径小很多的时候, 由于卷积作用产生的。
当扫描2 nm的样品时, 得到的图像可能会超过
10 nm。(4)样品的弹性形变, 由于力学显微镜的
性质, 在扫描时样品或多或少会产生一定的形
变。(5)最大扫描范围, 这个范围一直局限在微
米级, 毫米级的扫描头还处在研发阶段。(6)实
时成像的限制, 通常扫描一张图需要几分钟的
时间, 对于瞬间的生物化学反应无法捕捉。(7)
制样技术仍需改进, 与较硬的固体材料相比, 生
物样品的AFM实验技术难度较大, 制样过程中,
吸附力通常会导致样品失去活性; 对于活体原
位观察, 在液相中进行小范围扫描时, 溶液中的
物质容易沉淀, 产生背景干扰颗粒, 因此优化制
样方法至关重要。
植物世界蕴含着千差万别的结构, 而对于
结构的研究将有助于深入了解其特殊的功能。
AFM作为一种表面检测工具, 可以实现这一目
标。目前的研究主要集中在光合作用蛋白和
细胞壁等几个方面, 仅发挥着“眼”的作用,
“手”的功能还没有体现。更为深入的研究
才刚刚起步, 亟待解决的问题是对各种实验方法
进行不断的改进和创新。随着科技的进步,
AFM将与其它显微技术及生物技术有机地结
合起来, 其应用前景会更为广阔, 并在植物学研
714 23(6)
究中发挥更大的作用。
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(责任编辑: 白羽红)