扫描隧道显微镜及其生物学应用

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第878页（4428字）

扫描隧道显微镜(STM)是20世纪80年代初发展起来的研究物质表面结构的新型高分辨显微镜和表面分析仪器。

它是由IBM Zurich实验室的G．Binnig和H．Rohrer等人发明的。1983年，他们用自己研制的STM首次得到实空间的Si(111)7×7重构表面的原子分辨图像。此后，STM在实验和理论方面都有很迅速的发展。自第一台STM问世以来，它的应用范围已经扩展到微电子工业、表面微加工、电化学、催化、生物、医学等多种领域，它可以用于研究不同性质的表面，如半导体、金属、超导体、有机物、生物等，而这些样品又被允许处于多种环境之中，如超高真空、大气、水、电解质溶液、室温等。

总之，STM可以用于获得样品在实空间的表面形貌或表面的原子结构等对基础研究和实际应用都十分重要的信息。

扫描隧道显微镜的结构简单。它是通过一个尖端为原子尺度的针尖在压电陶瓷的驱动下沿样品表面扫描来获得表面的高分辨图像甚至原子分辨图像的。它的工作原理则是量子力学中的隧道效应。

STM的主要特点是具有原子水平的高分辨本领，其分辨本领横向能达到0．1nm，纵向能达到0．05nm甚至0．01nm。

这样高的分辨本领是过去各种显微镜都无法达到的，不过正因为分辨本领高，它的视野相对较小；此外，它是在实空间成像，成像速度快。

1985年，IBM Zurich实验室的A．M．Baro等首先用STM观察到铺展在石墨衬底上的噬菌体Φ29的表面形貌，但是当时仪器的分辨率很低(大约数nm)。随着STM的发展，它在生物方面的应用也越来越广，若按其研究对象的性质来分，主要有以下几方面：

脱氧核糖核酸(DNA) 1986年，G．Binnig等首次用STM观察到放在碳膜上的DNA样品，获得放大约500000倍的图像。

在图上可以看到一条很长的“Z”字形凹陷，其上的每一个重复周期长度约为3．5nm，这与DNA双螺旋的螺距大致相等；除此之外看不到任何细节。1987年，Lindsay等又得到金衬底上水相下长约为50nm的DNA片段的STM图，从图上可以看到DNA链像液晶一样密排着，每条DNA链的宽度和高度均为2．0nm左右，这与DNA双螺旋直径的理论值大致相等，然而对DNA的双螺旋结构仍无法分辨。

1989年初，Science杂志上发表了美国Livermore Lawrence实验室的研究成果。Beebe等人把溶于盐溶液的双链DNA铺展石墨衬底上，干燥后通过STM获得大气环境下DNA戊糖链的双螺旋图像，其螺距介于27×10^－10m与63×10^－10m之间，从该图能识别出DNA的大沟和小沟。

其他如Driscoll等也观察到呈双螺旋结构的DNA。1989年，北京大学物理系和生物系用自制的STM也观察到金衬底上水相下双螺旋的DNA，其形貌和尺度与理论都符合得很好。

蛋白质分子 1989年Reinhard等人用STM观察到一种细菌细胞壁上呈六角形规则排列的蛋白质(简称HPI Layer)。其样品制备的方法有喷镀Pt／C膜和不喷镀两种。

当湿度控制在一定的范围以内时，不喷镀的样品也可以和喷镀的样品一样很好地成像。在他们得到的STM图中可以十分清晰地分辨出六角形蛋白质复合物中心约有3nm大小的孔。1990年，Stuart Hamerooff等用STM对细胞质骨架的两种成分——微管(Microtubuls，简称MT)和中间纤维(简称IF)作了研究，从所得到的STM图中可以看到重组装的微管(直径为25nm左右)，由5～6根直径为4．5nm左右的原丝组成。用STM对中间纤维进行观察，可以分辨出直径为10nm的结构，它们是由周期为6～12nm的螺旋组成。

但是由于测量的影响，微管和中间纤维的结构都有些被压扁。1991年，King Lun Yeung等用STM看到一种脂蛋白(简称LPIN)，它是由51%的脂类和46%的蛋白质组成。

这种脂蛋白能使耐寒的昆虫在寒冷的季节里细胞间形成冰晶，从而避免在细胞内形成冰晶。从STM图中可以看到由两条直径为9～12nm球形物组成的线状结构。若样品的浓度较高，它们在HOPG上能形成聚合物，用STM则可以观察到有序的LPIN链呈平行排列。同年，Lorie Haggerty等用高浓度的溶菌酶和牛胰凝乳蛋白酶原A在石墨上沉积的方法使它们形成二维有序排列。他们观察到较高浓度(约10mg／ml)的溶菌酶在石墨上形成周期为4nm的长程有序排列结构。较低浓度(约2mg／m1)的溶菌酶在石墨上仍可形成松散排列的有序结构，但周期变为8nm。同样，牛胰凝乳蛋白酶原A在石墨上也可形成有序排列。

然而这两种蛋白质的STM图都没有显示出进一步的精细结构。

1990年，北京大学物理系和生物系合作用STM看到甘油水覆盖下角蛋白分子，在所得到的图中有一些长为几十纳米的条状结构，这是角蛋白多肽链的骨架，而且沿着纤维的走向可以辩认出角蛋白分子的主链和侧链。

脂膜 1987年，A．Stemmer等用STM观察一类由磷脂和蛋白重构而成的生物膜一Porin膜，从得到的图像中只能分辨出它与碳膜衬底的边界，没有进一步的细节。

糖类 1991年，M．J．Miles等研究3种多糖——黄原胶、纤维素天青和羟丙基纤维素C的表面结构。黄原胶的STM图呈现出1．5nm宽的、周期为2．0nm的条状物；羟丙基纤维素C的STM图中可以看到长为40～50nm的分子，分子的间距为6nm，高为0．6nm(后两者与X－射线衍射及期望值不符)；纤维素天青的STM的分子像是宽为3．2nm的条状物(与期望值相符)。

其他如D．C．Dahn等在1988年用STM观察到一种古细菌(简称Mh)细胞壁的外鞘，但分辨率很低。

在用STM研究生物样品的过程中，发现多数生物样品本身比较柔软，当针尖向样品逼近时由于针尖与样品的相互作用，很容易破坏样品表面使实验结果不正确，所以通常选用具有刚性结构的生物样品作为研究对象，或是采用低温技术，使得样品因冷冻而变得较硬。另外，由于STM的成像是依赖于针尖与样品之间的隧道电流，在样品是绝缘体的情况下它不能正常工作。大多数生物样品是离子型导体，而不是STM所要求的电子型导体，因此STM在生物学方面的应用有一定的局限性。

因此，为了不同的需要，科学家们研究发展其它的扫描显微镜。这些显微镜与STM具有相同的扫描方法，但它们是依赖于针尖与样品之间不同类型的相互作用而且提供样品的不同信息。

它们组成一个扫描显微镜的大家族。用于生物学研究常用的扫描显微镜主要有：

原子力显微镜(简称AFM)：这种显微镜不依赖于隧道电流，而是依赖于针尖的顶端与样品表面的原子之间的微弱的相互作用力。工作时迫使针尖紧靠样品表面，并保持它们之间的相互作用力不变，让针尖沿样品表面扫描．就好像一个唱针沿着唱片的纹路运动一样，根据针尖扫描时所感觉到的微小的跟踪力来获得样品表面的形貌图。在这极小的跟踪力作用下，针尖能够不破坏样品表面而记录下单个原子信息。

由于原子力显微镜不依赖于隧道电流，因而它可以用来研究绝缘体。原子力显微镜在测量一些坚硬的表面时，其分辨率可高达0．1～0．2nm，足以分辨单个原子，但是在测量一些软材料的表面时(例如生物细胞等)，由于针尖向样品表面逼近可能会使表面变形，因此工作起来并不是十分理想的。1990年，P．K．Hansma等用原子力显微镜得到单个血红细胞的放大像和氨基酸聚合链的图像。考虑到材料的物理硬度是原子力显微镜成功成像的一个重要因素，R．K．Hansma等又设计了一个低温下的原子力显微镜。

在这个原子力显微镜中样品被液氮冷冻而变得非常坚硬，从而有利于原子力显微镜的使用。

扫描隧道显微镜、原子力显微镜与其它扫描显微镜统称扫描探杆显微镜，它们在显微技术上已显露出强大的生命力。

新的扫描探杆显微镜的发展显示出有可能用得到的各种信息来研究亚微观水平生物过程的动力学(如催化过程)和大分子重组装等问题。但是扫描探杆显微镜毕竟是一种新型仪器，还处于发展的早期阶段，并存在着许多未被克服的具有挑战性的障碍，例如，如何扩大显微镜的扫描范围，以便能容易地找到感兴趣的区域；如何使扫描探杆显微镜对柔软的非导体成像；如何才能找到一种固定生物样品的方法以便能控制它们的定位和分布；如何识别和避免由于样品制备过程所引起的人工假象等。

此外，在仪器装置和样品制备方面也还需要进一步改进或提高。

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【参考文献】：

1 G Binnig, et al. Surface Science,1983,126:236

2 G Binnig, et al. IBM J Res Develop, 1986,30(4) :355

3 G.Binnig, et al. Phys Res Lett, 1986,56(9) : 930

4 P K Hansma, et al. Science, 1988,242,209

5 P Beebe et al. Science, 1989,243:370

6 牟建勋，等．电子显微学报，1989，8(4)∶1

7 Pobert,pool. Science, 1990,247.634

8 Stuart Hameroff.et al. J Vac Sci Technol,1990,A8(l) :687

9 King Lun Yeung.et al. J Vac Sci Technol, 1991, B9 (2), 1197

10 M J Miles, et al. J Vac Sci Technol, 1991 ,B9(2) = 1206

(北京大学严隽珏副教授、任笑地硕士撰)