AFM是利用光杠桿原理產生的光束偏轉技術研制而成的。在一個對形變極為敏感的微懸臂(cantilever)的一端安裝納米級的針尖,掃描時樣品和針尖存在力的相互作用,使微懸臂產生形變,導致從針尖背面反射到四象限檢測器的激光束發生微弱變化,繼而產生電壓差,最后將這些電壓信號轉換為圖像。AFM共由偏轉檢測系統、探針、掃描系統(壓電陶瓷)、反饋系統和顯示系統五部分組成。用于分析的模式有接觸模式(contactmode)和振蕩模式(oscillatingmode)兩種成像模式和一種力模式(forcemode)。使用接觸模式進行掃描時,針尖與樣品相互接觸,所成的圖像具有較高的分辨率,通常用來檢測樣品的物理屬性,由于剪切力的存在,對樣品有一定損傷,很少用于探測生物樣品。振蕩模式是靠聲學(tappingmode)或磁力(magneticalty)驅動,針尖和樣品只有短暫接觸,作用力較小,常用于生物樣品成像。與前兩種模式不同,力模式不能用于成像,而是用來測量針尖與樣品表面之間相互作用力。探針是AFM的重要部件,探針的好壞直接決定著實驗的成敗。探針因生產廠家而異,主要有Si針尖、Si3N4針尖和最近幾年發展起來的碳納米管針尖(國立秋等,2003)等幾種類型。因為探針的形狀、力常數、固有頻率等參數不同,適合的工作范圍也不同,應根據實驗需要甄選。

DNA是生命體的主要遺傳物質,研究它的結構和功能,有利于了解生命過程中遺傳信息的儲存和傳遞過程。Lindsay等(1989)率先用AFM對DNA分子進行了觀察。隨后,科研人員對DNA的AFM成像進行了大量的研究(Weisenhornetal.,1990;Hansmaetal.,1991)。現在關于DNA的實驗日臻完善,劉志國等(2005)運用了二價陽離子和3-aminopropyltriethoxysilane(APTES)修飾的云母來固定DNA分子,給出了用于DNA分子成像的合適的DNA濃度和二價離子濃度,在不同的APTES修飾云母的方法中,液相溶液修飾的方法能獲得較好的效果;當使用較高濃度的DNA分子成像時,觀察到了DNA的網絡;展示了一種簡單的伸展長鏈DNA分子的方法;討論了最佳的成像條件和AFM的操作技術并對各種固定DNA的方法進行了比較和評估。

植物細胞中含有成百上千種蛋白質,占細胞干重的比例僅次于纖維素,是植物細胞的重要組成部分。蛋白質通過結構的改變——構象的變化來行使功能,人們采用很多手段分析蛋白質的結構和功能。而AFM在蛋白質研究中的應用成為電子顯微鏡(EM)、X射線結晶學(Xraycrystallography)和核磁共振(nuclearmagneticresonance,NMR)技術的有力補充。膜蛋白的晶體結構解析是國際公認的難題,而光合作用相關蛋白歷來是植物學家們關注的焦點。如2004年,我國科學家成功解析了菠菜(Spinaciaoleracea)主要捕光復合物LH-CⅡ晶體結構,這項成果引起了國內外學者的普遍關注(Liuetal.,2004)。利用AFM最早實現了對單個光系統Ⅱ顆粒及光系統Ⅱ衍生物的觀測(Lyonetal.,1993;Shaoetal.,1997)。Kernen等(1998)采用Langmui-Blodgett(LB)技術分離捕光復合物,借助AFM了解到在單分子蛋白質和蛋白質脂質混合膜上存在類似環形的結構。然而Trudel等(2001)利用AFM和近場光學顯微鏡(SNOM)觀察吸附在二氯苯脲膜上的光系統Ⅱ中心復合物(PSⅡCC)呈圓球狀,推斷前人所得環形結果的原因可能是由于力過大對樣品造成了一定的損傷。ATP合酶為較大的蛋白復合體,它磷酸化ADP生成ATP。Seelert等(2000)在25mmol.L-1MgCl2、10mmol.L-1Tris-HCl、pH7.8、室溫條件下對菠菜葉綠體ATP合酶亞基Ⅲ低聚物進行AFM成像,結果表明這種低聚?0.3)nm,較寬的為(7.4?0.3)nm,而內徑均為(3.5?0.3)nm,并且都存在14個亞基。他們又在脂雙分子膜片段上重建亞基Ⅲ低聚物,測得脂雙分子層的厚度為(4.1?0.2)nm,蛋白質的厚度為(7.6?0.2)nm,低聚物圓環尺寸與以前的實驗結果一致(Seelertetal.,2003)。在室溫下,接觸模式觀察到完整的菠菜葉綠體ATP合酶的最大外徑同樣為(7.4?0.3)nm,不完整的ATP合酶為(7.3?0.3)nm,出現不完整的ATP合酶可能是由于使用SDS凝膠所致(Mulleretal.,2001)。水通過脂雙層膜所需的活化能大于細胞膜表面的活化能,由此產生了水通道假說。Fotiadis等(2001)借助掃描透射電子顯微鏡(STEM)和AFM觀察PM28A和PM28C兩種水通道蛋白亞型晶體,發現了兩種不同的類型,一種是P4212對稱,晶格矢量為a=b=(9.76±0.06)nm;一種是緊密堆積的四聚體六方晶格,晶胞的尺寸規格為a=b=(8.58±0.18)nm。對于其它蛋白質的AFM實驗也相繼進行。Leite等(2002)在液相下得到了Schizolobiumparahyba種子中的胰凝乳蛋白酶抑制劑低聚物的六角形、橢圓形、Z字型、彗星形、金字塔形共5種結構;Bittencourt等(2003)對一種植物胞漿蛋白Enterolobin的分子模型和AFM圖像進行比較,取得一致的結果;在親水表面測量玉米醇溶蛋白(zein)高度為40nm,粗糙度為6.97nm;疏水表面的蛋白高度均一,粗糙度為1.88nm(Wangetal.,2004);McIntire等(2005)采用非接觸模式分析了六倍體轉基因小麥(Triticumaestivum)高分子量麥谷蛋白亞基的結構(high-molecular-weightgluteninsubunits,HMW-GS);關于嘌呤吲哚蛋白基因PIN-a與二棕櫚酰磷脂酰膽堿(DPPC)相互作用的研究結果表明,DPPC單層膜較亮處為液體壓縮相(liquidcondensedphase,LC),較暗處為液體擴展相(liquidexpandedphase,LE),加入PINa后LE與LC相發生顛倒,其中LE相有大量濃厚的網狀聚集,LC相出現眾多球形凸起(Dubreiletal.,2003)。分子識別力學顯微鏡(MRFM)是一種特殊的AFM,應用MRFM對豌豆(Pisumsativum)血凝素(Pisumsativumlectin,PSL)、甘露醇結合血凝素(mannan-bindinglectin,MBL)和麥胚素(wheat-germagglutinin,WGA)3種植物血凝素的識別已獲得成功(Kleinetal.,2003)。