原子力顯微鏡及其生物學應用

1 緒論
2 儀器
2.1 原子力顯微鏡
2.2 壓電掃描器
2.3 探針和懸臂
2.3.1 懸臂的幾何形狀
2.3.2 探針針尖的幾何形狀
2.3.3 探針針尖功能化
2.4 樣品架
2.4.1 液體樣品池
2.5 檢測方法
2.5.1 光學檢測：雷射光束偏移
2.5.2 光學探測器：干涉測量
2.5.3 電子探測器：電子隧道
2.5.4 電檢測器：電容
2.5.5 電探測器：壓電懸臂
2.6 控制系統
2.6.1 ＡＦＭ電子
2.6.2 電子操作
2.6.3 回饋控制回路
2.6.4 設計限制
2.6.5 提高大掃描器的性能
2.7 振動隔離：熱和機械
2.8 校準
2.8.1 壓電掃描器的非線性特性
2.8.2 探針相關因素：卷積效應
2.8.3 校準標準
2.8.4 掃描校準樣品的探針針尖
2.9 整合型原子力顯微鏡
2.9.1 聯用AFM 光學顯微鏡
2.9.2 “潛艇AFM”———聯用AFM Langmuir槽
2.9.3 聯用AFM表面等離子共振技術
2.9.4 冷凍AFM
參考文獻
 
3 基本原理
3.1 力
3.1.1 範德瓦爾斯力和力距離曲線
3.1.2 靜電力
3.1.3 毛細管力和黏附力
3.1.4 雙層力
3.2 成像模式
3.2.1 接觸直流模式
3.2.2 交流模式：輕敲模式和非接觸模式
3.2.3 偏轉模式
3.3 成像類型
3.3.1 形貌
3.3.2 摩擦力
3.3.3 相位
3.4 基底
3.4.1 雲母
3.4.2 玻璃
3.4.3 石墨
3.5 一般問題
3.5.1 熱漂移
3.5.2 多針效應
3.5.3 “泳池”偽像
3.5.4 高反射樣品上的光學干擾
3.5.5 樣品粗糙度
3.5.6 樣品流動性
3.5.7 液體中成像
3.6 開始
3.6.1 ＤＮＡ
3.6.2 麻煩的大樣品
3.7 圖像優化
3.7.1 灰度級和彩色表
3.7.2 亮度和對比度
3.7.3 高通和低通濾波
3.7.4 歸一化和平面擬
3.7.5 去尖
3.7.6 傅裡葉過濾
3.7.7 相關平均
3.7.8 立體圖和浮雕
3.7.9 做好你的功課
參考文獻
 
4 大分子
4.1 成像方法
4.1.1 針尖黏附、分子損傷和推移
4.1.2 將大分子沉積在基底上
4.1.3 金屬塗層樣品
4.1.4 在空氣中成像
4.1.5 非水性液體成像
4.1.6 將分子與基底結合
4.1.7 在水或緩衝液下成像
4.2 核酸（ＤＮＡ）
4.2.1 ＤＮＡ成像
4.2.2 ＤＮＡ構象、大小和形狀
4.2.3 ＤＮＡ 蛋白相互作用
4.2.4 特定網站的定位和繪譜
4.2.5 染色體
4.3 核酸（ＲＮＡ）
4.4 多糖
4.4.1 多糖成像
4.4.2 大小、形狀、結構和構象
4.4.3 聚集體，網路和凝膠
4.4.4 纖維素，植物細胞壁和澱粉
4.4.5 蛋白多糖和黏蛋白
4.5 蛋白質
4.5.1 球狀蛋白
4.5.2 抗體
4.5.3 纖維蛋白
參考文獻
 
5 介面系統
5.1 介面介紹
5.1.1 表面活性
5.1.2 介面系統ＡＦＭ研究
5.1.3 Langmuir槽
5.1.4 Langmuir-Blodgett膜轉移
5.2 樣品製備
5.2.1 清潔方案：玻璃器皿和槽
5.2.2 基底
5.2.3 浸漬
5.3 磷脂
5.3.1 早期磷脂膜ＡＦＭ研究
5.3.2 ＡＦＭ修飾磷脂雙層
5.3.3 ＡＦＭ研究雙層內在性質
5.3.4 磷脂雙層中的波紋相
5.3.5 混合磷脂膜
5.3.6 支撐層的影響
5.3.7 磷脂層的動態過程
5.4 脂質體和完整的囊泡
5.4 脂質蛋白混合膜
5.5.1 磷脂雙層的高解析度研究
5.6 混雜脂質／表面活性劑膜
5.7 介面蛋白膜
5.7.1 具體注意事項
5.7.2 介面蛋白膜的ＡＦＭ研究
參考文獻
 
6 有序大分子
6.1 三維晶體
6.1.1 結晶纖維素
6.1.2 蛋白質晶體
6.1.3 核酸晶體
6.1.4 病毒和病毒晶體
6.2 二維蛋白晶體：介紹
6.2.1 ＡＦＭ必須提供什麼
6.2.2 樣品製備：膜蛋白
6.2.3 樣品製備：可溶性蛋白質
6.3 二維膜蛋白晶體的ＡＦＭ研究
6.3.1 紫膜
6.3.2 縫隙連接
6.3.3 光合蛋白膜
6.3.4 腎膜中的ＡＴＰ酶
6.3.5 ＯｍｐＦ孔蛋白
6.3.6 細菌Ｓ層
6.3.7 噬菌體２９頭尾連接子
6.3.8 膜動力學的ＡＦＭ成像
6.3.9 膜蛋白的力譜
6.3.10 氣體囊泡蛋白
6.4 可溶性蛋白質二維晶體的ＡＦＭ研究
6.4.1 成像條件
6.4.2 靜電考慮
參考文獻
 
7 細胞、組織和生物礦物
7.1 成像方法
7.1.1 樣品準備
7.1.2 力繪譜和機械測量
7.2 微生物細胞：細菌，孢子和酵母菌
7.2.1 細菌
7.2.2 酵母
7.3 血細胞
7.3.1 紅細胞
7.3.2 白細胞和淋巴細胞
7.3.3 血小板
7.4 神經元和神經膠質細胞
7.5 上皮細胞
7.6 非融合腎細胞
7.7 內皮細胞
7.8 心肌細胞
7.9 其他哺乳動物細胞
7.10 植物細胞
7.11 組織
7.11.1 嵌入切片
7.11.2 無嵌入切片
7.11.3 水合切片
7.11.4 冷凍斷裂複製品
7.11.5 免疫標記
7.12 生物礦物
7.12.1 骨、肌腱和軟骨
7.12.2 牙
7.12.3 外殼
參考文獻
 
8 其他探針顯微鏡
8.1 概述
8.2 掃描隧道顯微鏡
8.3 掃描近場光學顯微鏡
8.4 掃描離子電導顯微鏡
8.5 掃描熱顯微鏡
8.6 光鑷和光子力顯微鏡
參考文獻
 
9 力譜
9.1 原子力顯微鏡的力測量
9.2 力譜的第一步：從原始資料到力距離曲線
9.2.1 定量懸臂位移
9.2.2 確定懸臂彈性常數
9.2.3 力距離曲線分析
9.3 拉伸方法
9.3.1 分子的固有彈性特性
9.3.2 分子識別力譜
9.3.3 化學力顯微鏡（ＣＦＭ）
9.4 推壓方法
9.4.1 膠體探針顯微鏡（ＣＰＭ）
9.4.2 如何製作膠體探針懸臂組件
9.4.3 變形和壓痕方法
9.5力距離曲線分析
9.5.1 蠕蟲狀鏈和自由連接鏈模型
9.5.2 分子相互作用
9.5.3變形分析
9.5.4 剝離時的黏合力
9.5.5 變形時的彈性壓痕深度（δ）和接觸半徑（犪）
9.5.6 零載荷時的接觸半徑３４６
9.5.7 膠體力
參考文獻
掃描探針顯微鏡（ＳＰＭ）相關參考書籍
索引

原子力顯微鏡是掃描探針顯微鏡家族的一員，是由斯坦福大學的Gerd Binnig與Calvin F. Quate和IBM 矽谷研究室的Christoph Gerber合作于1985年發明。它可以在納米級別上對各種樣品（包括生物樣品等）的形貌、力學性能、分子分佈等進行探測，並且可以直接對樣品進行納米加工。因此，原子力顯微鏡被廣泛應用於生物醫學、醫學科學、材料科學、表面科學和納米科學等領域。原版書是原子力顯微鏡在生物學應用方面的經典著作，自1999年首次出版以來取得良好反響，並於2010年第二次修訂出版。本書的三位著者Victor J. Morris, Andrew R. Kirby, A.Patrick Gunning均在著名的英國Quadram生物科學研究所（原食品研究所）工作，都是國際著名的原子力顯微鏡生物學（特別是食品）應用專家。
 
原版書的特點是三位著者均有豐富的原子力顯微鏡生物應用經驗，且他們在同一個單位進行緊密合作，因此所述內容系統全面地對原子力顯微鏡生物學應用進行了詳細的闡述，包括設備、原理、基本流程、針對不同生物系統的應用、與其他設備的聯用、力譜技術等。既在理論上有深度，又注重應用實踐的詳細描述，具有很好的實用性。相比於無機或者有機等樣品，生物樣品具有自己的獨特特點，如樣品尺度從分子到細胞再到組織，樣品軟且容易損傷，需要觀察活細胞等，因此，原子力顯微鏡生物應用時需要進行更為全面深入的考慮。然而，國內有關原子力顯微鏡生物學應用的著作基本沒有，原版書中譯本出版無疑填補了這方面的空白。本書具有系統性強、內容全面、注重實際等特點，譯者相信它對於的有關專業人員會起到啟迪思路、開闊視野的作用，並且能為生物科學（包括食品科學）專家進入該領域時提供指導，有望縮短學習時間。
 
本書由鐘建（上海海洋大學副研究員、碩導）翻譯與統稿。丁夢真（上海海洋大學碩士生）和王盼盼（上海海洋大學碩士生）參與了本書的文字校對和參考文獻管理等工作，在此表示感謝。譯者特別感謝上海市“食品科學與工程”高原學科（上海海洋大學）和開放大學團隊建設橫向項目（E-6005-00-0039-13）的經費支持。最後，譯者感謝上海交通大學出版社武曉雁、張瀟等編輯的辛勤工作。
 
儘管譯者具有十多年的原子力顯微鏡生物應用實踐經驗，但仍然由於譯者知識水準有限，加上時間倉促，譯稿中難免有不妥之處，竭誠歡迎廣大專家學者批評斧正。