显微镜技术在水下的应用

要充分了解生物材料如细胞膜或蛋白质的结构和电学性能，生物学家需要在它们的原始天然状态，和水的环境中去研究它们。如今，研究人员报告一种可以提供此信息的高分辨率的技术，在生物友好的条件下。该小组已研制出一种原子力显微镜，可以研究呆在水中的样品，这种温和的环境足以分析脆弱的生物的表面的。

在一个典型的原子力显微镜实验中，一个锋利的尖可以扫描材料的表面，由于它与表面上的分子或原子的作用而产生一个力，进而产生一个图象。AFM可以根据表明的形状和电学性能生成原子尺度的信息。该技术非常适合于在空气中以及与强大的能承受坚硬，成像锐利尖端接触的样品。

细胞和蛋白质的生物结构是潮湿和湿软的，不太适合原子力显微镜（AFM）。美国宾夕法尼亚州立大学的化学工程师Seong H. Kim，想使原子力显微镜技术应用于生物样品。他认为，这样的技术可以帮助生物学家研究嵌入细胞膜的蛋白质或神经细胞的电势。

为了使AFM适应于生物样品，Seong以在劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员在20世纪90年代开发的扫描极化力显微镜为基础建立了一个新方法（Appl. Phys. Lett. 1995, DOI: 10.1063/1.114541）。在该方法中，AFM的针尖处于一个外加电压之下，电压主要根据露在空气中的表面上的电荷。该方法不要求与成像表面进行物理接触。相反，表面上的静电吸引或排斥的针尖，建立可测量的力。

在该领域的研究人员认为，该技术在水下是行不通的。当Kim研究小组第一次在水中尝试的时候，他们发现，溶解的离子覆盖在针尖表明，进而干扰针尖与样品表面的相互作用。但是，他们克服此问题的方法是，将尖端处的正电压和负电压之间进行振荡处理。随着这种振荡，离子不能呆在针尖，以干扰与测量。

为了证明水下测量的概念，Kim研究小组对一个金表面进行成像，金表面覆盖了一个自组装的带电聚合物单层膜。用AFM技术，该球队可以给出表明的一个图，并区分正、负电荷。

Kim说，目前尚不清楚是什么这种湿润方法的极限分辨率决。最好的AFM方法可以提供原子级的分辨率。Kim说，眼下他的方法可以辨别大小为200 nm的物体。成像使用的针尖约10至20纳米宽，所以更高的分辨率应该是可能的。

“事实上，你可以真正在液体中用这种方法，这对生物研究人员来说是有趣的：”  。如果Kim的小组可以证明它可以应用于与实际的生物样品，可以制作一个用户友好的版本，他说，该方法可以给生物学家提供一些独特的技术。目前使用的技术，没有能比得上用AFM所获得的无法比拟的空间分辨率，Stieg说。