1.2 染色质研究的生物物理方法

1.2.1原子力显微镜

1.2.1.1原子力显微镜的介绍

1981年，Gerd bining和Heinrich Rohrer开发了一种强大的仪器，可以获得材料的原子分辨率，也可以在样品表面进行原子尺度的操作。这种仪器叫做扫描隧道显微镜(STM)[1],因此获得了1986年诺贝尔物理学奖. 仅仅在这项发明的5年后，遵循STM的类似想法，Bining、Quate和Gerber开发了另一种扫描探针显微镜，它可以通过测量样品和探针之间的力在绝缘体表面上工作[2].

图1 - 9原子力显微镜原理图

(A)显示了原子力显微镜的原理示意图，(B)一个具有尖锐边缘的AFM尖端的典型SEM图。(图片A来自维基百科的Askwmind)

图显示了原子力显微镜的方案，一束激光直接指向悬臂尖的边缘，这是一个非常尖锐的探针，直径约为20到100 nm。激光反射信号偏转到光电二极管探测器。所述尖端的弯曲作为激光光斑位置反射到光电二极管上，并由探测器记录下来。反馈回路应用于样品所在的压电陶瓷上(或尖端压电级)，以保持悬臂梁的弯曲度(激光器的位置)恒定。记录压电体的运动以反映样品表面形貌信息。

基于AFM针尖与表面的相互作用，定义了AFM工作的两种主要模式:接触模式和非接触模式。在接触模式下，AFM针尖与表面轻微接触，针尖和样品表面之间的力导致悬臂梁弯曲。根据胡克原理(见方程1-1)，弯曲z可以由一束激光根据适当的转换来监测。原子级别的分辨率可以通过接触模式获得[3, 4]. 然而，接触模式AFM很难应用于软的生物样品，特别是在生理环境中。为了对软样品进行成像，减少探针与样品之间的相互作用，开发了非接触模式原子力显微镜[5-7].

对于非接触模式AFM，开发了两种主要的子模式:调幅（amplitude modulated）AFM (AM-AFM)[5]和调频AFM(frequency modulated) (FM-AFM)[6]. 基本上，AFM尖端在外力的作用下被激发振荡 图片 (公式1-2). 当针尖接近表面时，针尖运动可以被描述为在另一个针尖-样本力作用下的一维带阻尼的质点运动。可以监测针尖振动的动态特性，如振幅、相位和频率。根据这些参数的变化，可以推导出针尖与试样表面的相互作用。

在AM-AFM中，探针以固定频率振动。通过锁相放大器对选定的频率信号进行滤波和放大，测量针尖振动的幅度。然后将针尖振动幅值输入比例-积分-微分(PID)控制器。通过PID控制压电采样台不断调整针尖振动幅值和针尖距离使针尖振动幅值保持一致。 通过跟踪压电陶瓷的运动，可以获得表面形貌信息。采用调幅AFM可以避免探针与样品表面之间的强相互作用。AM-AFM目前已广泛应用于世界各地的研究实验室，用于大多数的成像目的，特别是生物分子研究。但AM-AFM无法获得原子尺度分辨率[8]。与AM-AFM相比，调频AFM (FM-AFM)具有较高的信噪比[6]。在FM-AFM中，针尖在其特征频率处以高质量因子Q振荡。振荡的振幅保持相同，并监测频率的移动。随着频率的变化，探针与样品表面之间的距离发生变化，通过跟踪压电元件的位置可以获得形貌信息。在1994年用原子力显微镜(FM-AFM)获得了Si (111)-(7x7)的真原子分辨率[9]。