原子力显微镜的力示踪方法

摘要

原子力显微镜的力示踪方法，涉及微观力测量方法技术领域，解决了现有的AFM单分子力谱法检测到的力信号容易被认为是AFM探针本身运动产生的而不是细胞表面上的动态过程产生的问题。原子力显微镜的力示踪方法，在反馈调节系统的控制下完成进针后，关闭反馈调节系统，通过得到的力-距离曲线确定AFM探针和被测物表面接触时AFM探针在Z方向的位置；AFM探针逐渐逼近被测物表面，当AFM探针和被测物表面刚好接触时，关闭反馈调节系统并停止进针，微悬臂随即发生偏转；利用数据采集卡采集微悬臂偏转随时间变化关系。本发明避免了压电陶瓷扫描器驱动AFM探针在Z方向的运动对被测物表面动态过程研究的影响。

权利要求

1.原子力显微镜的力示踪方法，其特征在于，该方法具有如下步骤：

步骤一、首先，在进行力示踪测量前对AFM探针针尖进行待测分子的修饰，力示踪测量过程中，在反馈调节系统的控制下完成进针，之后关闭反馈调节系统，通过得到的力-距离曲线确定AFM探针和被测物表面接触时AFM探针在Z方向的位置；

步骤二、确定AFM探针和被测物表面接触时AFM探针在Z方向的位置后，AFM探针会回缩至原位，AFM探针针尖修饰有检测物，设定AFM探针和被测物表面接触时的相关参数，开启反馈调节系统，使AFM探针逐渐逼近被测物表面，当AFM探针和被测物表面刚好接触时，关闭反馈调节系统并停止进针，当检测物与被检测物之间有相互作用时微悬臂随即发生偏转；

步骤三、利用数据采集卡采集微悬臂偏转随时间变化关系并输入至电脑进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的原子力显微镜的力示踪方法，其特征在于，检测物包括一个单分子、多个单分子或一个纳米粒子。

3.根据权利要求1所述的原子力显微镜的力示踪方法，其特征在于，被测物为能内吞或转运单个分子及颗粒的体系。

4.根据权利要求1所述的原子力显微镜的力示踪方法，其特征在于，被测物为细胞膜、人工磷脂膜或人工纳米孔。

5.根据权利要求1所述的原子力显微镜的力示踪方法，其特征在于，反馈调节系统主要由控制器、扫描器、微悬臂、AFM探针、激光检测器组成，扫描器在控制器的控制下按照特定方向伸缩，微悬臂的一端安装在扫描器上，另一端安装有AFM探针。

说明书

原子力显微镜的力示踪方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微观力测量方法技术领域，具体涉及一种原子力显微镜的力示踪方法。

背景技术

[0002] 在单分子水平研究生物分子间相互作用的机制，对于深入了解生物分子的特异性识别、生化过程以及分子结构与功能的关系具有极其重要的意义，并已经成为目前生物、化学、物理交叉领域的一个前沿方向（[1]陈宜张，林其谁，生命科学中的单分子行为及细胞内实时检测，1，北京：科学出版社，2005，1-11。[2]M.J.J.A.Dvorak，The application of atomic force microscopy to the study of living vertebrate cells in culture，Methods，2003(29)：86-96）。

[0003] AFM单分子力谱法以其独特的优越性在生物单分子间相互作用的研究中发挥着十分重要的作用。现有的AFM单分子力谱法具有如下的步骤：

[0004] 首先使压电陶瓷扫描器和样本表面保持一定距离，AFM探针与样本表面没有接触，微悬臂不发生偏转；压电陶瓷扫描器开始伸长，AFM探针和样本表面接触，微悬臂发生偏转；当压电陶瓷扫描器伸长到用户定义最大范围时，压电陶瓷扫描头开始回缩，AFM探针远离样本表面。

[0005] 上述的AFM单分子力谱法在研究单粒子与细胞的相互作用方面存在着一定的缺陷，在实验过程中，AFM探针受压电陶瓷扫描器的驱动沿Z方向向细胞表面运动，细胞表面上的动态过程，如内吞、转运等也是在Z方向上的运动，这样使得检测到的力信号容易被认为是AFM探针本身运动产生的而不是细胞表面上的动态过程产生的，因而微悬臂的偏转也就不能直接客观的反映细胞表面上的动态过程。

发明内容

[0006] 为了解决现有技术的AFM单分子力谱法检测到的力信号容易被认为是AFM探针本身运动产生的而不是细胞表面上的动态过程产生的问题，本发明提供一种原子力显微镜的力示踪方法。

[0007] 本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

[0008] 原子力显微镜的力示踪方法，该方法具有如下步骤：

[0009] 步骤一、首先，在进行力示踪测量前对AFM探针针尖进行待测分子的修饰，力示踪测量过程中，在反馈调节系统的控制下完成进针，之后关闭反馈调节系统，通过得到的力-距离曲线确定AFM探针和被测物表面接触时AFM探针在Z方向的位置；

[0010] 步骤二、确定AFM探针和被测物表面接触时AFM探针在Z方向的位置后，AFM探针会回缩至原位，AFM探针针尖修饰有检测物，设定AFM探针和被测物表面接触时的相关参数，开启反馈调节系统，使AFM探针逐渐逼近被测物表面，当AFM探针和被测物表面刚好接触时，关闭反馈调节系统并停止进针，当检测物与被检测物之间有相互作用时微悬臂随即发生偏转；

[0011] 步骤三、利用数据采集卡采集微悬臂偏转随时间变化关系并输入至电脑进行分析处理。

[0012] 本发明的有益效果是：当AFM探针和被测物表面接触后关闭反馈系统，使用数据采集卡采集AFM探针微悬臂偏转随时间的变化，这避免了压电陶瓷扫描器驱动AFM探针在Z方向的运动对被测物表面动态过程研究的影响，而提供一种不施加驱动力给被测物上方AFM探针的一种方法，这样采集到的微悬臂偏转情况随时间变化完全来源于被测物表面上的动态过程。AFM探针微悬臂的偏转可以直接反映被测物表面的动态过程。

[0013] 本发明的原子力显微镜的力示踪方法能用于研究葡萄糖、氨基酸等生物小分子在细胞膜上的转运过程，同时也适用于研究细胞内吞病毒、纳米粒子等粒子的动态过程。

附图说明

[0014] 图1为现有技术的AFM单分子力谱法测量的力-距离曲线图；

[0015] 图2为本发明的原子力显微镜的力示踪方法电路原理图；

[0016] 图3中A为转运体进入细胞前微悬臂发生偏转的示意图，B分别为转运体进入细胞后微悬臂发生偏转的示意图；

[0017] 图4中A、B、C分别为利用本发明所述的原子力显微镜的力示踪方法测量葡萄糖转运力和时间的关系图、葡萄糖进入细胞前后的时间分布柱状图、葡萄糖进入细胞前后的转运力分布柱状图；

[0018] 图5中A和B分别为利用现有技术的AFM单分子力谱法测量葡萄糖进入细胞前后的力-距离曲线图和葡萄糖进入细胞前后的转运力分布柱状图；

[0019] 图6为利用本发明的原子力显微镜的力示踪方法测量得到的细胞内吞金纳米粒子的力与时间关系图；

[0020] 图7为利用本发明的原子力显微镜的力示踪方法测量得到的氨基酸进入细胞转运的力与时间关系图。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

[0022] 如图2所示，原子力显微镜的力示踪方法，该方法具有如下步骤：

[0023] 步骤一、首先，在进行力示踪测量前对AFM探针针尖进行待测分子的修饰。力示踪测量过程中，在反馈调节系统的控制下完成进针，之后关闭反馈调节系统，通过得到的力-距离曲线确定AFM探针和被测物表面接触时AFM探针在Z方向的位置；

[0024] 步骤二、确定AFM探针和被测物表面接触时AFM探针在Z方向的位置后，AFM探针会回缩至原位，AFM探针针尖修饰有检测物，设定AFM探针和被测物表面接触时的相关参数，开启反馈调节系统，使AFM探针逐渐逼近被测物表面，当AFM探针和被测物表面刚好接触时，关闭反馈调节系统并停止进针，当检测物与被检测物之间有相互作用时微悬臂随即发生偏转；

[0025] 步骤三、利用数据采集卡采集微悬臂偏转随时间变化关系并输入至电脑进行分析处理。

[0026] 上述的步骤一中，反馈调节系统主要由控制器、扫描器、微悬臂、AFM探针、激光检测器组成，扫描器在控制器的控制下按照特定方向伸长或缩短，微悬臂的一端安装在扫描器上，另一端安装有AFM探针，通过反馈调节系统的作用实现进针或回针。

[0027] 上述的步骤二中，相关参数表示的是AFM探针和样本表面刚好接触时AFM探针在Z方向的位置，相关参数由步骤一得到的力-距离曲线来确定，力与距离的关系可用公式F=C·S表示，其中F为AFM探针与样本表面作用时受到的力，C为微悬臂弹性系数，S为AFM探针移动的距离。

[0028] 上述的步骤二中，检测物包括一个单分子、多个单分子或一个纳米粒子。

[0029] 上述的步骤二中，当关闭反馈调节系统并停止进针时，由于被测物与检测物之间发生内吞或转运作用，AFM探针针尖受到被测物与检测物产生的力的作用，使AFM探针远离被测物表面，此时微悬臂发生偏转。

[0030] 上述的步骤三中，数据采集卡将采集到的AFM探针与样本表面作用时受到的力和AFM探针移动的距离输入至电脑，AFM系统软件对数据进行分析处理。

[0031] 上述的步骤一和步骤二中，被测物包括细胞膜，人工磷脂膜，人工纳米孔，能内吞或转运单个分子及颗粒的体系。

[0032] 上述能内吞或转运单个分子及颗粒的体系具体指的是能内吞单个分子及颗粒的体系，或能转运单个分子的体系。

[0033] 本发明的原子力显微镜的力示踪方法在接触模式、非接触模式和敲击模式下均可适用。

[0034] 实施例1葡萄糖分子在细胞膜上转运的动态过程研究

[0035] 在反馈调节系统的控制下完成进针后，通过得到的力-距离曲线确定AFM探针和细胞膜表面接触时AFM探针在Z方向的位置；将葡萄糖分子修饰到AFM探针针尖上，设定AFM探针和细胞膜表面接触时的力为100皮牛以内，开启软件调节系统，使AFM探针逐渐逼近细胞膜表面，当AFM探针和细胞膜表面接触时力为100皮牛以内时，停止进针，微悬臂随即发生偏转；利用数据采集卡采集微悬臂偏转随时间变化关系并输入至电脑进行分析处理。

[0036] 如图4中A、B、C和图5中A、B所示，实验结果表明本发明的优点是：（1）得出的转运力避免了压电陶瓷驱动AFM探针在Z方向的运动对细胞膜上动态过程研究的影响。（2）能够得出葡萄糖进入细胞时间。通过实验解释了葡萄糖转运的动力学机制。

[0037] 实施例2细胞膜内吞金纳米粒子的动态过程研究

[0038] 在反馈调节系统的控制下完成进针后，通过得到的力-距离曲线确定AFM探针和细胞膜表面接触时AFM探针在Z方向的位置；将金纳米粒子修饰到AFM探针针尖上，设定AFM探针和细胞膜表面接触时的力为100皮牛以内，开启软件调节系统，使AFM探针逐渐逼近细胞膜表面，当AFM探针和细胞膜表面接触时力为100皮牛以内时，停止进针，微悬臂随即发生偏转；利用数据采集卡采集微悬臂偏转随时间变化关系并输入至电脑进行分析处理。

[0039] 如图6所示，实验结果表明本发明的优点是：（1）得出的转运力避免了压电陶瓷驱动AFM探针在Z方向的运动对细胞膜上动态过程研究的影响。（2）能够得出金纳米粒子进入细胞的时间和力的大小。通过实验解释了细胞膜内吞金纳米粒子的动力学机制。

[0040] 实施例3氨基酸分子在细胞膜上转运的动态过程研究

[0041] 在反馈调节系统的控制下完成进针后，通过得到的力-距离曲线确定AFM探针和细胞膜表面接触时AFM探针在Z方向的位置；将氨基酸分子修饰到AFM探针针尖上，设定AFM探针和细胞膜表面接触时的力为100皮牛以内，开启软件调节系统，使AFM探针逐渐逼近细胞膜表面，当AFM探针和细胞膜表面接触时力为100皮牛以内时，停止进针，微悬臂随即发生偏转；利用数据采集卡采集微悬臂偏转随时间变化关系并输入至电脑进行分析处理。

[0042] 如图7所示，实验结果表明本发明的优点是：（1）得出的转运力避免了压电陶瓷驱动AFM探针在Z方向的运动对细胞膜上动态过程研究的影响。（2）能够得出氨基酸分子进入细胞的时间和力的大小。通过实验解释了氨基酸分子在细胞膜上转运的动力学机制。