顯微鏡技術在水下的應用

要充分了解生物材料如細胞膜或蛋白質的結構和電學性能，生物學家需要在它們的原始天然狀態，和水的環境中去研究它們。如今，研究人員報告一種可以提供此信息的高分辨率的技術，在生物友好的條件下。該小組已研制出一種原子力顯微鏡，可以研究呆在水中的樣品，這種溫和的環境足以分析脆弱的生物的表面的。

在一個典型的原子力顯微鏡實驗中，一個鋒利的尖可以掃描材料的表面，由于它與表面上的分子或原子的作用而產生一個力，進而產生一個圖象。AFM可以根據表明的形狀和電學性能生成原子尺度的信息。該技術非常適合于在空氣中以及與強大的能承受堅硬，成像銳利尖端接觸的樣品。

細胞和蛋白質的生物結構是潮濕和濕軟的，不太適合原子力顯微鏡（AFM）。美國賓夕法尼亞州立大學的化學工程師Seong H. Kim，想使原子力顯微鏡技術應用于生物樣品。他認為，這樣的技術可以幫助生物學家研究嵌入細胞膜的蛋白質或神經細胞的電勢。

為了使AFM適應于生物樣品，Seong以在勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員在20世紀90年代開發的掃描極化力顯微鏡為基礎建立了一個新方法（Appl. Phys. Lett. 1995, DOI: 10.1063/1.114541）。在該方法中，AFM的針尖處于一個外加電壓之下，電壓主要根據露在空氣中的表面上的電荷。該方法不要求與成像表面進行物理接觸。相反，表面上的靜電吸引或排斥的針尖，建立可測量的力。

在該領域的研究人員認為，該技術在水下是行不通的。當Kim研究小組第一次在水中嘗試的時候，他們發現，溶解的離子覆蓋在針尖表明，進而干擾針尖與樣品表面的相互作用。但是，他們克服此問題的方法是，將尖端處的正電壓和負電壓之間進行振蕩處理。隨著這種振蕩，離子不能呆在針尖，以干擾與測量。

為了證明水下測量的概念，Kim研究小組對一個金表面進行成像，金表面覆蓋了一個自組裝的帶電聚合物單層膜。用AFM技術，該球隊可以給出表明的一個圖，并區分正、負電荷。

Kim說，目前尚不清楚是什么這種濕潤方法的極限分辨率決。最好的AFM方法可以提供原子級的分辨率。Kim說，眼下他的方法可以辨別大小為200 nm的物體。成像使用的針尖約10至20納米寬，所以更高的分辨率應該是可能的。

“事實上，你可以真正在液體中用這種方法，這對生物研究人員來說是有趣的：”  。如果Kim的小組可以證明它可以應用于與實際的生物樣品，可以制作一個用戶友好的版本，他說，該方法可以給生物學家提供一些獨特的技術。目前使用的技術，沒有能比得上用AFM所獲得的無法比擬的空間分辨率，Stieg說。