原子力显微镜及其在生物学研究中的应用

原子力显微镜及其在生物学研究中的应用

原子力显微镜自从问世以来在生物学研究中有其不可替代的作用，是生命科学研究中不

可缺少的工具。原子力显微镜(AFM)技术本身有许多优势，如样品制备简单，可在多种环

境中运作，高分辨率等等。本文主要从生物化学、细胞生物学、免疫学和物质超微结构

研究等几个方面对其在生物学中的应用进行综述。

原子力显微镜(AFM)的优势

原子力显微镜(AFM)是80年代初问世的扫描探针显微镜(scanning probe microscope，SPM)的一种。1986年，Dr. Binning因发明扫描探针显微镜而获得诺贝尔物理奖。这种显微镜的放大倍数远远超过以往的任何显微镜：光学显微镜的放大倍数一般都超不过1000倍；电子显微镜的放大倍数极限为100万倍；而原子力显微镜的放大倍数能高达10亿倍，比电子显微镜分辨率高1000倍，可以直接观察物质的分子和原子，这为人类对微观世界的进一步探索提供了理想的工具。

原子力显微镜(AFM)本身的优势是其在生物学中得以迅速发展的主要原因。首先，原子力

显微镜(AFM)技术的样品制备简单，无需对样品进行特殊处理，因此，其破坏性较其它生

物学常用技术(如电子显微镜)要小得多；第二，原子力显微镜(AFM)能在多种环境(包括

空气、液体和真空)中运作，生物分子可在生理条件下直接成像，也可对活细胞进行实时

动态观察；第三，原子力显微镜(AFM)能提供生物分子和生物表面的分子/亚分子分辨率

的三维图像；第四，原子力显微镜(AFM)能以纳米尺度的分辨率观察局部的电荷密度和物

理特性，测量分子间(如受体和配体)的相互作用力；第五，原子力显微镜(AFM)能对单个

生物分子进行操纵；另外，由原子力显微镜(AFM)获得的信息还能与其它的分析技术和显

微镜技术互补。

原子力显微镜(AFM)还具有对标本的分子或原子进行加工的能力，例如，可搬移原子，切

割染色体，在细胞膜上打孔等等。综上所述，原子级的高分辨率、观察活的生命样品和

加工样品的力行为成就了原子力显微镜的三大特点。

原子力显微镜(AFM)原理

原子力显微镜(AFM)通常使用氮化硅作为一个灵敏的弹性微悬臂,在其尖端有一个很尖的

探针用来在样品上扫描。点状物或原子之间的相互作用力通常用Lennard-Jone电位描述: U(r)=-U0[(r0/Z)12-(r0/Z)6]此处Z为原子间距,U0和r0分别为平衡状态下原子间的能量和距离。当原子间距小于r0时，原子间作用力由吸引力变为排斥力。探针与表面之间的

吸引力和排斥力被用于扫描力试验。不同表面方位的探针作用力给出关于表面形态和一

些其他表面特征的信息。原子力显微镜(AFM)有两种类型：接触式和非接触式,分别基于

排斥作用和吸引作用。原子力显微镜(AFM)试验中,探针尖端近似为显微球,则针尖与样品

表面间的作用力为:F(Z)=2πR0B/3Z3其中Z为针尖与样品之间的距离,R0为近似显微球针

尖的半径,B为一个与物体介电常数有特殊关系的常量。原子力显微镜(AFM)探针安装在一

个灵活的悬臂上,激光二极管发出的一束激光经悬臂反射后,打在一个分裂式光电二极管

上,当探针在样品表面扫描时,由于样品表面原子结构起伏不平,悬臂也就随之起伏,于是

激光束的反射也就起伏。光电二极管将其接收、放大,即可获得样品表面凹凸信息的原子

结构图像。原子量级的表面形态记录是原子力显微镜(AFM)特有的性能。

轻敲模式(Tapping Mode, TM)成像技术在用原子力显微镜(AFM)观察柔软、粘连、易碎的

样品方面,TM成像术的出现是一个关键性进步。TM-AFM在空气中扫描时，探针通常以5000 0～500000次/秒的频率交替接触和离开表面。由于针尖接触表面造成能量损失，悬臂振

荡减弱,这种振幅的减小可以用来鉴别、测量表面状态。当针尖通过表面隆起部分时，悬

臂在较小空间内振荡，振荡的振幅同时变小;相反,当针尖通过凹陷处时,悬臂在较大范围

振荡,振幅变大。数字反馈回路用来

调整针尖-样品间距以维持恒定的振幅和作用于样品上的力。TM-AFM在液体媒质中扫描时

,为了避免使整个液体细胞在悬臂振荡驱使下进入上下运动状态, 必须选择一个合适的振

荡频率(通常在5000～40000次/秒的范围内)。这种方法的特点是：当针尖沿X方向进行扫描时，周期性的使针尖在Z方向上撤离样品表面然后再接近，并保持每次撤离的距离相等，如果针尖撤离足够远，那麽针尖对样品的横向作用力就不会被累积，从而可减少针尖

对样品的破坏作用。TM-AFM成像的优点在于,它既可以防止针尖与表面粘连和扫描过程中

造成的样品破坏,又能接触表面并获得高分辨图像。而且TM-AFM成像具有广阔的线性范围,允许常规样品的重复测试。

使用原子力显微镜(AFM)观察生化过程

随着样品处理技术在液体中成像技术的改善,应用原子力显微镜(AFM)观察复杂的生化过

程成为可能。转录过程是基因表达的中心环节,而使用原子力显微镜(AFM)观察蛋白质和D NA的相互作用存在一个矛盾要解决:生物分子需要固定到基底上是原子力显微镜(AFM)的

成像基础,而生化反应过程却需要生物分子能相对自由地移动。即使在大量非特异性DNA 存在时,RNA聚合酶(RNAP)与启动子间仍存在很高的结合率,人们猜想RNAP沿着DNA的扩散是其原因之一。非特异性复合物在适当条件下沉积后,利用原子力显微镜(AFM)可观察到R NAP沿着DNA滑动,且能在不同的DNA片段间转移。然而加入肝素可终止这些过程,这就进一步证实了RNAP- DNA相互作用的非特异性。原子力显微镜(AFM)还能对转录的过程进行实

时观察，在加入核苷酸后,沉积到云母上的延长复合物沿着DNA模板单向移动。两个对照

实验证实RNAP与DNA的相对移动与转录的实际情况相符。在一个对照中,以没有终止子的微环DNA作为模板,在云母上进行转录。在干燥后通过原子力显微镜(AFM)可观察到合成的ＲＮＡ长链。在第二个对照中,DNA在相同的条件下,在云母上进行转录。不同的是加入的

核苷酸用32Ｐ标记。通过PAGE对反应产物进行分析,结果显示与云母结合的复合物具有活性,而且转录的速度与用原子力显微镜(AFM)测得的近似生物分子的构象改变也是原子力

显微镜(AFM)的重要观察内容。将尿素酶沉积到云母上并用原子力显微镜(AFM)扫描,在液

池中加入尿素后发现,悬臂的垂直波动明显增加,这提示由酶活动引起的构象改变能直接

通过原子力显微镜(AFM)记录下来。格兰阴性菌的外膜是其保护屏障,它由规则组装的蛋

白质通道构成。其中研究较多的是Deinococcusradiodurans的六角形组装中间体(hexago nallypacked intermediate, HPI)蛋白。HPI被认为与营养的摄入和代谢物的排出有关

。HPI的原子力显微镜(AFM)图像显示了规则的六角形及中央的孔样结构。在液体中成像

则发现HPI呈现出“开和“关”两种不同的构象。意义虽不清，但这却显示出原子力显微镜(AFM)在液体中成像的优势。原子力显微镜(AFM)在研究分子识别中的应用分子间的相

互作用在生物学领域中相当普遍,例如受体和配体的结合,抗原和抗体的结合,信息传递分

子间的结合等,是生物体中信息传递的基础。原子力显微镜(AFM)可作为一种力传感器来

研究分子间的相互作用。这是由于原子力显微镜(AFM)理论上能感应10-14Ｎ的作用力,能

感应0.01ｎｍ的位移,而接触面积可小到10ｎｍ2。因此,原子力显微镜(AFM)被用于研究

互补的DNA链间、细胞粘附分子间及配体-受体间的相互作用力。生物素(biotin)和抗生

物素蛋白链菌素(streptavidin)间有高亲和力,其相互作用的热力学数据也较为清楚。因而,生物素和抗生物素蛋白链菌素是原子力显微镜(AFM)测定特异相互作用力的良好典型

。在一经典实验中,用生物素化的小牛血清白蛋白(biotinlated bovine serum

albumin,BBSA)包裹微球,而微球连在悬臂上形成BBSA功能化探针。然后在有生物素阻断

和无生物素阻断的抗生物素蛋白链菌素溶液中测量BBSA功能化探针和BBSA包裹云母间的粘附力。结果显示,无生物素阻断的抗生物素蛋白链菌素溶液中需要较大的力才能将BBSA 功能化探针与云母表面分离,力的大小为(0.257±0.025)ｎＮ,与分离配体-受体所需的力相

符。而在此基础上可推算出其有效的断裂距离为(0.95±0.10)ｎｍ。因此,当针尖包裹了特定的分子(如生物素)后,通过针尖和样品间的相互作用可用于辨认表面的相应分子(如抗生

物素蛋白链菌素)的位置。现在已出现了商用的修饰探针,这些探针包裹了不同的分子,可用于不同用途的分子识别。因而原子力显微镜将发挥更广泛的作用。原子力显微镜(AFM)在物质超微结构研究中的应用原子力显微镜(AFM)可以直接观察到表面缺陷、

表面重构、

表面吸附体的形态和位置、以及有表面吸附体引起的表面重构等。原子力显微镜(AFM)可

以观察许多不同材料的原子级平坦结构，例如，可以用原子力显微镜(AFM)对DL－亮氨酸

晶体进行研究，可观察到表面晶体分子的有序排列，其晶格间距与X射线衍射数据相符。

另外原子力显微镜(AFM)还成功地用于观察吸附在基底上的有机分子和生物样品，如，三

梨酸、DNA和蛋白质的表面。海藻酸聚赖氨酸海藻酸(Alginate Poly L-Lysine Alginate,

简称APA)胶囊薄膜具有半渗透性,构成可以阻止人体免疫系统的成分进入由APA 薄膜构成

的胶囊,从而使得胶囊内的物质免受免疫系统的侵害。因此,可采用该薄膜胶囊保护人体内移植的组织,延长其在人体内的存活时间。同时,对药物具有缓释效应。APA薄膜的半渗透性同其表面的超微结构有着密切的联系,研究其表面的超微结构对其半渗透性的研究具有重

要的意义。已有文献报道了关于采用原子力显微镜(AFM)对APA薄膜的表面结构进行研究的内容,发现了APA表面的特殊结构，从而揭示了APA表面超微结构对半渗透性的重要意义。目前,利用原子力显微镜(AFM)已获得了DNA、透析薄膜、烷烃分子、脂肪酸薄膜以及多糖等的超微结构的图象。

原子力显微镜(AFM)在细胞生物学中的应用

应用原子力显微镜(AFM)可研究活细胞或固定细胞如红细胞、白细胞、细菌、血小板、心肌细胞、活肾上皮细胞及神经胶质细胞的动态行为。原子力显微镜(AFM)对体外动态细胞的分析具有非凡的能力。这些研究大都把样品直接放置在玻片上,不需要染色和固定,样品制备和操作环境相当简单。用免疫胶体金标记细胞膜则打开了细胞表面抗原高分辨定位之门。原子力显微镜(AFM)细胞成像如:用原子力显微镜(AFM)研究活肾上皮细胞,可在浆膜小斑上以50nm的分辨率观察细胞骨架元素、浆膜浅凹和膜结合丝。用原子力显微镜( AFM)观察血小板的运动,可看到微丝结构、颗粒传输到细胞质外侧及活化中细胞成份的再分配。游走上皮细胞的浆膜可用原子力显微镜(AFM)实时成像。用原子力显微镜(AFM)以5 0nm的分辨率可观察水中活的或固定的哺乳动物细胞表面骨架结构,在活细胞中可及时跟踪细胞构形的变化,引入药物(秋水仙素)导致的细胞骨架结构表面受体交联(通过IgE抗体与IgE受体结合)等,还可描述细胞骨架力的变化。Parpura等用原子力显微镜(AFM)观察神经元和神经胶质细胞在活体状态下质膜下微丝的运动,由于图像具有直观、实时、动态的特点,从而提出了纳米外科学的概念,即对细胞进行纳米级的人工操作,以达到对病理细胞进行“手术”的目的。应用前景原子力显微镜(AFM)技术在生物学领域的应用有赖于样品制备方法和适合针尖-

样品相互作用的缓冲液的研究。原子力显微镜(AFM)现已成为一种获得样品表面结构高分辨率图像的有力工具。而更为吸引人的是其观察生化反应过程及生物分子构象变化的能力。因此,原子力显微镜(AFM)在生物学领域中的应用前景毋庸置疑。而对于原子力显微镜(AFM)技术本身,以下几个方面的进展将更加有利于它在生物学中的应用。大多数生物反应过程相当快速,原子力显微镜(AFM)时间分辨率的提高有助于这些过程的观察。生命科学研究有其自身特点,需设计出适合生物学研究的原子力显微镜(AFM)。高分辨率是原子力显微镜(AFM)的优势。其分辨率在理论上能达到原子水平,但目前还没有实现,如何作出更细的针尖将有助于其分辨率的进一步提高。而随着样品制备技术的完善,原子力显微镜(AFM)必将成为生物学领域中一种常规的研究工具。

光电技术在生物医学中的应用一现状与发展

论文题目： 光电技术在生物医学中的应用——现状与发展 学院 专业名称 班级学号 学生 2013年12月19日

摘要： 简要介绍光电技术在生物医学应用中的发展概况，从基因表达与蛋白质——蛋白质相互作用研究方面，重点讨论了生物分子光子技术的特点与优势，阐明基于分子光学标记的光学成像技术是重要的实时在体监测手段，最后简要讨论了医学光学成像技术在组织功能成像和脑功能成像中的应用原理。 关键词：光电技术，医学诊断与治疗，分子光子学，医学成像

1.生物医学光子学发展简介 光电技术在生物医学中的应用实质上就是生物医学光子学的研究畴。生物医学光子学是近年来受到国际光学界和生物医学界广泛关注的研究热点。在国际上一般称为生物医学光子学或生物医学光学。 光子学以量子为单位，研究能量的产生、探测、传输与信息处理。光子技术在生物与医学中的应用即定义为生物医学光子学，其相应产业涉及人类疾病的诊断、预防、监护、治疗以及保健、康复等。研究容包括:光子医学与光子生物学，X-射线成像，MRI ，PET等。近年来，生物医学光子学在生物活检、光动力治疗、细胞结构与功能检测、对基因表达规律的在体观测等问题上取得了可喜研究成果，目前正在从宏观到微观多层面上对大脑活动与功能进行研究。美国《科学》杂志在最近儿年已发表相关论文近20篇。随着光子学技术的发展，生物医学光子学将在多层次上对研究生物体特别是人体的结构、功能和其他生命现象产生重要影响。 在国际上已经成立了国际生物医学光学学会(International Biomedical Optics Society)，简称IBOS。IBOS每年与国际光学工程学会(SPIE)联合举办学术会议。国外 学术交流方面，作为生物医学工程和光学工程领域重要国际会议的“生物医学光学国际学术研讨会”(International BiomedicalOptics Symposium，简称BIOS)每年在美国和欧洲各举办一次。在国，国家自然科学基金委员会生命科学部与信息科学部联合发起并承办的全国光子生物学与光子医学学术研讨会已经举办了六届。在第六届学术会议上发表学术论文75篇，论文摘要27篇。 从光电技术(或光子技术)在生物医学中的应用现状可以看到，光子医学与光子生物学的研究和应用围是广泛而且深入的，并正在形成有特色的学科和产业。例如，由于生物超微弱发光与生物体的细胞分裂、细胞死亡、光合作用、生物氧化、解毒作用、肿瘤发生、细胞和细胞间的信息传递与功能调节等重要的生命过程有着密切的联系，基于生物超微弱发光的生物光子技术在肿瘤诊断、农业、环境监测、食品监测和药理研究等方面己经得到应用。 下面主要从生物分子光子技术和医学光学成像技术两个方面介绍当前的研究现状 与发展趋势。

原子力显微镜的应用

1.引言 随着人类科研的不断发展, 纳米尺度上物质的结构、相互作用以及一些特殊的现象等越来越受到关注, 所以各种研究方法和仪器手段也应运而生。原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）利用其微悬臂上尖细探针与样品的原子之间的作用力，从而达到检测的目的。其具有原子级的分辨率[1]。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不能观察非导体的不足。 图1 原子力显微镜 原子力显微镜的原理及其在材料科学上的应用 摘要 本文介绍了原子力显微镜的发展过程、探测原理等方面，从原子力显微镜对于材料表面形貌分析，粉体材料分析，纳米材料分析等方面，综述了原子力显微镜技术在材料科学学方面的应用，并展望原子力显微镜在未来的发展 关键词 原子力显微镜工作模式特点表面形貌 Abstract Thisarticle provide information of AFM(Atomic Force Microscope),about the development,the principle,from AFM on analyzing surface of material ,dusty material and nanometer size material. And look into the future of AFM Key word AFM working model characteristic surface

2.仪器工作原理 AFM通常由氮化硼作为一个灵敏的弹性微悬臂，在其尖端有一个用来在样品表面上扫描的很尖细的探针。假设有两个原子，一个是在微悬臂的探针尖端，另一个是在样品的表面，它们之间的作用力会随着距离的变化而变化。当原子和原子很接近时，彼此的电子云排斥力作用会大于原子核与电子云之间的吸引作用，其合力表现为排斥作用。反之，若两原子分开到一定距离时，其电子云的排斥作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用，故其合力表现为吸引作用。原子力显微镜就是利用微小探针与待测原子之间的这种交互作用力的微妙变化，来显现表面原子的形貌。[2] 在原子力显微镜中，根据利用原子间的排斥力或吸引力方式的不同，发展出了两种工作模式： （1）利用原子之间的排斥力的变化而产生样品表面轮廓，从而发展了接触式原子力显微镜（Contact AFM），其探针与样品表面的距离约为零点几个纳米。 （ 2 ）利用原子之间的吸引力的变化而产生 样品表面轮廓，从而发展了非接触式原子 力显微镜（Non-Contact AFM）其探针与样 品表面的距离约为几到几十纳米。 图2 原子与原子之间的交互作用 在原子力显微镜系统中，使用一个灵活的 微悬臂来感应针尖与样品之间的交互作用 力，该作用力随样品表面形态而变化，它 会使微悬臂随之摆动。将一束激光照射在 微悬臂的末端，当微悬臂摆动时，会使反 射激光的位置改变而造成偏移量，用激光 检测器记录此偏移量，同时将此信号传递 给反馈系统，以利于系统做适当的调整， 从而将样品表面特征以影像的方式显现出 来[3]。（如图 3） 。 图3 原子力显微镜的探测原理示意图 3.原子力显微镜的结构 3.1力检测系统 原子力显微镜使用微小悬臂来检测原 子之间力的变化量。微悬臂通常由一个 100到500μm长和大约500nm到5μm厚 的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一 个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相 互作用力。 图4 原子力显微镜微悬臂 3.2位置检测系统

高中生物学实验思维培养的策略研究总结

高中生物学实验思维培养的策略研究 目录 1 课题概况 1．1 研究内容 1.1.1 核心概念 1.1.2 主要研究内容 1．2 研究背景 1．3 研究历程 1．4 研究方法 2 理论支持 2．1 建构主义学习理论 2．2 萨其曼的探究教学理论 3 实践成效 3．1 构建了培养生物学实验思维的策略 3.1.1 关注教材实验，培养实验思维的科学性 3.1.2 体验科学发现史，培养实验思维的完整性 3.1.3 变验证为探究，培养实验思维的深刻性 3.1.4 完善经典实验，培养实验思维的严谨性 3.1.5 重视实验方案的设计，培养实验思维的组织性 3.1.6 规范实验评价，培养实验思维的准确性 3．2 转变了教师的教学观念和行为 3．3 提高了学生的学业成绩

4 研究后的反思 参考文献 附件：高中生物实验课学习情况调查问卷

高中生物学实验思维培养的策略研究 摘要：生物学是以实验为基本研究方法的科学课程，实验思维是科学素养的重要组成部分之一，对学生树立科学的价值观、养成科学态度和应用科学方法的基本素养具有重要作用。通过本课题的研究，尝试构建起一套科学的、具操作性的培养学生实验思维的策略，并应用于教学实践，在转变教师的教学观念及教学行为、改变课堂教学方式和提高学生的学业水平方面取得一定的成效。 关键词：实验思维培养策略 1 课题概况 本项课题是杭州市2012年国家基础教育课程改革专项研究课题（教师小课题），课题编号12ZK14010。 1．1 研究内容 1.1.1 核心概念 按心理学分析，思维是人运用表象和概念进行分析、综合、判断和推理等认识活动的过程，是人的大脑对客观事物的一般属性和事物之间有规律的联系的反映，是以知识为中介进行推断和解决问题的过程。借助它，能反映现实对象的本质特征，揭示对象及相关现象之间的各种内在联系。经过思维，了解事物发生的原因，找出解决问题的方法和策略。 本课题中的实验思维是指从事实验科学研究时所应具备的思维方法、方式和思维路径，是基于实验研究基本过程的一种科学思维方式，是在科学实验的基础上形成和发展的一种思维能力，是把发现问题、思考问题、解决问题的基本程序内化的一种思维品质，是科学素养的重要组成部分之一。 1.1.2 主要研究内容 实验思维主要表现在设计实验、观察和分析实验现象、分析实验数据的过程中，包括发现问题、提出问题、做出假设、设计实验方案、完善实验方案、实验验证、分析讨论并做出合理的推论，最终解决问题。实验思维在生物学实验中具有重要作用，生物学实验课题的确立和生物学实验目的的确定是实验思维的结果；实验原则的制定是在严密的实验思维的指导下进行的；在生物学实验实施过程中，实验思维可控制实验操作过程的有序进行；对实验现象和结果的科学分析也是实验思维的一个过程。严谨科学的实验思维为实验过程和实验结果的准确性提供了保证。事实上，生物学实验的全过程都离不开实验思维。 高中生物学实验思维的培养是指通过多种形式的教学活动，使学

生物技术在医学领域的应用

微生物制药技术 工业微生物技术是可持续发展的一个重要支撑，是解决资源危机、生态环境危机和改造传统产业的根本技术依托。工业微生物的发展使现代生物技术渗透到包括医药、农业、能源、化工、环保等几乎所有的工业领域，并扮演着重要角色。欧美日等国已不同程度地制定了今后几十年内用生物过程取代化学过程的战略计划，可以看出工业微生物技术在未来社会发展过程中重要地位。 微生物制药技术是工业微生物技术的最主要组成部分。微生物药物的利用是从人们熟知的抗生素开始的，抗生素一般定义为：是一种在低浓度下有选择地抑制或影响其他生物机能的微生物产物及其衍生物。(有人曾建议将动植物来源的具有同样生理活性的这类物质如鱼素、蒜素、黄连素等也归于抗生素的范畴，但多数学者认为传统概念的抗生素仍应只限于微生物的次级代谢产物。)近年来，由于基础生命科学的发展和各种新的生物技术的应用，报道的微生物产生的除了抗感染、抗肿瘤以外的其他生物活性物质日益增多，如特异性的酶抑制剂、免疫调节剂、受体拮抗剂和抗氧化剂等，其活性已超出了抑制某些微生物生命活动的范围。但这些物质均为微生物次级代谢产物，其在生物

合成机制、筛选研究程序及生产工艺等方面和抗生素都有共同的特点，但把它们通称为抗生素显然是不恰当的，于是不少学者就把微生物产生的这些具有生理活性（或称药理活性）的次级代谢产物统称为微生物药物。微生物药物的生产技术就是微生物制药技术。可以认为包括五个方面的内容： 第一方面菌种的获得 根据资料直接向有科研单位、高等院校、工厂或菌种保藏部门索取或购买；从大自然中分离筛选新的微生物菌种。 分离思路新菌种的分离是要从混杂的各类微生物中依照生产的要求、菌种的特性，采用各种筛选方法，快速、准确地把所需要的菌种挑选出来。实验室或生产用菌种若不慎污染了杂菌，也必须重新进行分离纯化。具体分离操作从以下几个方面展开。 定方案：首先要查阅资料，了解所需菌种的生长培养特性。

科研方法论全

科研方法论 第一章导论 1、19世纪下半叶，日本明治维新时代启蒙思想家福泽瑜吉首次把Science译为“科学”。 2、12世纪初，宇宙论者威廉提出了“科学是知识”的思想，认为科学是以物质为基础的知识的一部分，从而与神学区分开来。 3、《不列颠百科全书》对“science”的解释是“任何涉及真实世界和它的现象的知识系统，这一知识系统需要无偏见的观察和系统化的实验。 4、科学活动不是人和对象“两体”，而是科学共同体、科学范式和特定的客观对象三体活动，是一项在范式的指导下从事解决疑难的活动。 5、德国著名哲学家雅斯贝尔斯提出了科学的三条划界标准：第一，方法论认识；第二，令人信服的确定性；第三，普遍有效性。 6、科学分为以自然现象为对象的自然科学和以社会现象为对象的社会科学。现代科学还包括以人类思维存在为对象的思维科学。 7、哲学与科学的联系在于：科学史全部真正哲学的条件，任何从事哲学思维活动的人都必须熟悉科学的方法。 8、科学按照研究对象不同可以分为哲学、自然科学和社会科学。 9、哲学是人们对世界总体的规律性认识，是人们对整个自然、社会和思维认识体系，是对自然知识和社会知识概括与总结基础上形成的系统化、理论化的世界观。 10、自然科学包括了许多领域的研究，它是研究无机自然界和包括人的生物属性在内的有机自然界的各门科学的总称，由基础科学、技术科学和应用科学三部分组成。 11、社会科学研究是用科学的方法，研究人类社会的种种现象的各学科总体或其中任一学科。社会科学是人文学科和社会科学的统称。

12、我国教育部讲科学研究定义为：科学研究是指为了增进知识包括关于人类文化和社会的知识以及利用这些知识去发明新的技术而进行的系统的创造性工作。 13、科学研究的基本特点就表现为创新性和继承性。 14、从研究过程看，科学研究的类型可分为：基础科学研究和应用研究。 15、基础科学研究是指认识自然现象、揭示自然规律，获取新知识、新原理、新方法的研究活动。 16、应用研究是指为获得新知识而进行的创造性研究。 17、从研究性质看，科学研究可分为探索性研究和发展性研究。 18、探索性研究是指对所研究的现象或问题进行初步了解，获得初步印象和感性认识，为今后的深入研究提供基础和方向。 19、从研究方法看，科学研究可分为实验研究、调查研究和观察研究。 20、实验研究是研究者运用科学实验的原理和方法，是一种受控的研究方法。 21、调查研究是科学研究中的一种常用方法，在描述性、解释性和探索性的研究中都可以运用调查研究的方法。 22、科学研究的一般过程主要包括：确立科研选题，设计研究方案，获得研究数据与资料，对研究资料进行总结分析并提出研究结论，撰写研究论文或研究报告、申请专利、应用推广研究成果等。 23、确立科研选题是科学研究的起点，也是首要环节。 24、设计研究方案主要包括：科学实践的具体研究内容、技术路线、研究方法等，科学地设计研究方案是科研选题实现的关键保障。 25、科学方法论是关于科学的一般研究方法的理论，探索方法的一般结构，阐述它们的发展趋势和方向，以及科学研究中各种方法的相互关系问题。

原子力显微镜

6-5 原子力显微镜 【实验简介】 扫描隧道显微镜工作时要检测针尖和样品之间隧道电流的变化，因此它只能用于导体和半导体的研究。而在研究非导电材料时必须在其表面覆盖一层导电膜。导电膜的存在往往掩盖了样品表面结构的细节。为了弥补扫描隧道显微镜的这一不足，1986年宾尼希等发明了第一台原子力显微镜AFM（atomic force microscopy）。原子力显微镜不仅可以在原子水平测量各种表面形貌，而且可用于表面弹性、塑性、硬度、摩擦力等性质的研究。 【实验目的】 1.学习和了解原子力显微镜的结构和原理； 2.学习扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观察样品的表面形貌； 【实验原理】 1.原子力显微镜 与STM不同，原子力显微镜测量的是针尖与样品表面之间的力。将微小针尖放在悬臂的一端，当针尖与样品间距小到一定程度时，由于针尖与样品的相互作用（引力、斥力等），使悬臂发生弯曲形变。如图使样品与针尖之间作扫描运动，测量悬臂的形变位移，即可得到 图6-5-1 原子力显微镜示意图 样品表面的形貌信息。 由于微悬臂的位移很小，对它的测量是一个关键技术。最早发明者宾尼希等人利用隧道电流对间距的敏感性来测量悬臂的位移，但由于隧道效应对悬臂的功函数（由于污染等原因）变化同样敏感，所以稳定性较差。现在大多数均采用光学方法或电容检测法。本实验采用光

图6-5-2 原子力显微镜光路图 束偏转检测方法，如图2所示。激光束经微悬臂背面反射、再经平面反射镜至四相限接受器，当微悬臂弯曲时激光束在接受器上的位置将发生移动，由四象限接受器检测出悬臂弯曲位移，便可得到样品的表面形貌。 2.轻敲模式成象技术 常规的接触模式扫描由于针尖对样品的作用力较大，会在软样品表面形成划痕，或使样品变形，对粉体颗粒样品，会使样品移动，或将样品碎片吸附在针尖上，分辨率较差，而理想的非接触模式由于工作程短，又是难于有效实施的。 轻敲扫描模式的特点是在扫描过程中由压电驱动器将微悬臂激发到共振振荡状态，针尖随着悬臂的振荡，极其短暂地与样品表面进行接触，同时由于针尖与样品的接触时间非常短，因此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失，可以清晰观测完好的表面结构而不受表面高度起伏的影响。AFM轻敲扫描模式，特别适用于检测生物样品及其它柔软、易碎、粘附性较强的样品。并对针尖损耗相对最少。 【实验装置】(见扫描隧道显微镜) 【实验内容及步骤】 1．扫描光栅样品 注意：所有插件栏的操作都应当是鼠标单击 1.1 放针尖。把针尖架插入探头； 1.2 放样品（用镊子操作，注意不要让镊子碰到样品表面）。 1.3打开电脑。开启控制箱电源。打开软件，切换到在线工作模式(此时仪器会自动识别当前针尖类型，软硬件自动切换到相应工作模式，头部液晶屏也会立即显示出当前工作模

原子力显微镜操作详细流程

原子力显微镜操作简要说明 一、设备开机 1、打开原子力显微镜主机电源（在光学平台下方）。 2、开启电脑、运行软件（软件10，如有问题可换9重新运行）。 3、在软件界面点击 SPM init 进行设备初始化，如显示SPM OK可继续操作，如不显示SPM OK重启软件。 4、点open door开操作门，点灯泡按钮照亮。 二、样品准备 1、将表面洁净样品使用专用双面胶粘贴至设备配备的圆形载物片上（最好两个台子一起使用，以便旋转样品）。 2、通过检测组件上的按钮或者软件点open door开启样品室舱门，点灯泡按钮照亮，点击软件界面上的AFM-STM退针钮使显微镜探头缩回。 3、使用专用镊子将样品连同载物片放入磁性样品台上，小心调整样品区域之中间。小心不要碰触探头、激光源等。 4、点击软件界面的AFM-STM使探头移回。关闭舱门。 三、操作程序 1、运行软件的camera功能，点击绿色的play键。运行approach，点击蓝色step move，将样品降低到安全距离。 2、运行软件的aiming功能，点击tools-motors-video calibration-右下角specify laser step 1-Alt+左键-确定-手动Alt+左键点击红十字中心，使激光与十字匹配。 3、运行AFM钮，使针头伸出。点击Shift+左键点击针悬臂梁的中间或偏上三分之一处，点击move laser使激光移动到点击位置，然后用Laser X和Y将Laser 调到最大，点击Aiming，使DFL、LF为0。 4、运行软件的Resonance功能，选择semicontact模式，在probes里选择对应针尖，点击Auto，调节探针悬臂的共振频率。如产生共振，调节Gain和lockgain 的大小（保证其乘积大小不变），确定setpoint为典型值Mag的一半，Gain0.5-1之间。 5、运行landing，观察way值变化。 6、运行软件的Approach功能，自动完成下针。使探针下降至检测距离。 7、点击Scanning按钮，开始样品扫描，扫描图样将自动保存至指定文件夹。注意: 1、除去扫描过程，其他改变任何程序或移动样品的操作都应先关闭反馈键使ON 变为OFF。操作过程中确保XY是闭环状态？ 2、取放样品时均应首先软件操作使探头缩回。 3、扫描结果的优劣决定于当前探针状态（是否断针和污染）和所选用的反馈灵 敏度Gain。在确保不损伤仪器以及珍贵探针的情况下进行优化调节。

原子力显微镜及其应用

原子力显微镜及其应用 原子力显微镜是以扫描隧道显微镜基本原理发展起来的扫描探针显微镜。原子力显微镜的出现无疑为纳米科技的发展起到了推动作用。以原子力显微镜为代表的扫描探针显微镜是利用一种小探针在样品表面上扫描，从而提供高放大倍率观察的一系列显微镜的总称。原子力显微镜扫描能提供各种类型样品的表面状态信息。与常规显微镜比较，原子力显微镜的优点是在大气条件下，以高倍率观察样品表面，可用于几乎所有样品（对表面光洁度有一定要求），而不需要进行其他制样处理，就可以得到样品表面的三维形貌图象。并可对扫描所得的三维形貌图象进行粗糙度计算、厚度、步宽、方框图或颗粒度分析。 原子力显微镜可以检测很多样品，提供表面研究和生产控制或流程发展的数据，这些都是常规扫描型表面粗糙度仪及电子显微镜所不能提供的。 一、基本原理 原子力显微镜是利用检测样品表面与细微的探针尖端之间的相互作用力（原子力）测出表面的形貌。 探针尖端在小的轫性的悬臂上，当探针接触到样品表面时，产生的相互作用，以悬臂偏转形式检测。样品表面与探针之间的距离小于3－4nm，以及在它们之间检测到的作用力，小于10－8N。激光二极管的光线聚焦在悬臂的背面上。当悬臂在力的作用下弯曲时，反射光产生偏转，使用位敏光电检测器偏转角。然后通过计算机对采集到的数据进行处理，从而得到样品表面的三维图象。 完整的悬臂探针，置放于在受压电扫描器控制的样品表面，在三个方向上以精度水平0.1nm或更小的步宽进行扫描。一般，当在样品表面详细扫绘（XY轴）时，悬臂的位移反馈控制的Z轴作用下保存固定不变。以对扫描反应是反馈的Z轴值被输入计算机处理，得出样品表面的观察图象（3D图象）。 二、原子力显微镜的特点 1．高分辨力能力远远超过扫描电子显微镜（SEM），以及光学粗糙度仪。样品表面的三维数据满足了研究、生产、质量检验越来越微观化的要求。 2．非破坏性，探针与样品表面相互作用力为10－8N以下，远比以往触针式粗糙度仪压力小，因此不会损伤样品，也不存在扫描电子显微镜的电子束损伤问题。另外扫描电子显微镜要求对不导电的样品进行镀膜处理，而原子力显微镜则不需要。 3．应用范围广，可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、颗粒度解析、突起与凹坑的统计处理、成膜条件评价、保护层的尺寸台阶测定、层间绝缘膜的平整度评价、VCD涂层评价、定向薄膜的摩擦处理过程的评价、缺陷分析等。 4．软件处理功能强，其三维图象显示其大小、视角、显示色、光泽可以自由设定。并可选用网络、等高线、线条显示。图象处理的宏管理，断面的形状与粗糙度解析，形貌解析等多种功能。 三、应用实例 1．应用于纸张质量检验。2．应用于陶瓷膜表面形貌分析。3．评定材料纳米尺度表面形貌特征 1

原子力显微镜的工作原理及基本操作

2015年秋季学期研究生课程考核 （读书报告、研究报告） 考核科目:原子力显微镜的工作原理及基本操作学生所在院（系）: 学生所在学科: 学生姓名: 学号: 学生类别:应用型 考核结果阅卷人

原子力显微镜的工作原理及基本操作 一、实验目的 1.了解原子力显微镜的工作原理 2.掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法 二、原子力显微镜结构及工作原理 2.1 AFM的工作原理 AFM是用一个一端装有探针而另一端固定的弹性微悬臂来检测样品表面信息的，当探针扫描样品时，与样品和探针距离有关的相互作用力作用在针尖上，使微悬臂发生形变。AFM系统就是通过检测这个形变量，从而获得样品表面形貌及其他表面相关信息 1.原子力作用机制 当两个物体的距离小到一定程度的时候，它们之间将会有原子力作用．这个力主要与针尖和样品之间的距离有关．从对微悬臂形变的作用效果来分，可简单将其分为吸引力和排斥力，它们分别在不同的工作模式下、不同的作用距离起主导作用．探针与样品的距离不同，作用力的大小也不相同，针尖/样品距离曲线如图1所示． 图1 针尖/样品距离曲线 2.原子力显微镜的成像原理 AFM的微悬臂绵薄而修长，当对样品表面进行扫描时，针尖与样品之间力的作用会使微悬臂发生弹性形变，针尖碰到样品表面时，很容易弹起和起伏，它非常的灵敏，极小的力的作用也能反应出来．也就是说如果检测出这种形变，就可以知道针尖－样品间的相互作用力，从而得知样品的形貌。

图2 光束偏转法的原理图 微悬臂形变的检测方法一般有电容、隧道电流、外差、自差、激光二极管反馈、偏振、偏转方法。偏转方法是采用最多的方法，也是原子力显微镜批量生产所采用的方法．图2就是光束偏转法的原理图。 3.原子力显微镜的工作模式 AFM主要有三种工作模式:接触模式(ContactMode)、非接触模式(Non－contact Mode)和轻敲模式( Tapping Mode)，如图3． 图3 三种工作模式 接触模式中，针尖一直和样品接触并在其表面上简单地移动．针尖与样品间的相互作用力是两者相接触原子间的排斥力，其大小约为10-8～10-11N。 非接触模式是控制探针一直不与样品表面接触，让探针始终在样品上方5～20nm 距离内扫描．因为探针与样品始终不接触，故而避免了接触模式中遇到的破坏样品和污染针尖的问题，灵敏度也比接触式高，但分辨率相对接触式较低，且非接触模式不适合在液体中成像。 轻敲模式是介于接触模式和非接触模式之间新发展起来的成像技术，类似与非接触模式，但微悬臂的共振频率的振幅相对非接触模式较大，一般在0.01～1nm．分辨率几乎和接触模式一样好，同时对样品的破坏也几乎完全消失，克服了以往常规模式的局限。 4.原子力显微镜的构成 SPA－300HV型显微镜主要包括以下四个系统: 减震系统、头部系统、电子学控制系统、计算机软件系统(图4为结构图)。

浅谈免疫学在生物学、医学、药学等领域的应用

浅谈免疫学在生物学、医学、药学等领域的应用 摘要：免疫学技术在国内外的应用已是日趋广泛。近年来，由于任何有关抗原抗体的研究均可使用免疫技术，使免疫学技术早已超越了医学领域，广泛应用于植物学、动物学、药学、生物学等其他科学领域，免疫学技术本身也在迅速发展。免疫学是生命科学及医学领域中的前沿学科,本文仅就免疫学在某些领域的具体应用做简要的评述。 关键词：免疫酶；免疫检测；免疫和中医药 一、免疫学在分子生物学中的应用 免疫学技术已从早年应用于微生物学发展到应用于分子生物医学研究的许多方面。目前，它已成为兴学科生物学研究的重要工具之一。在此次免疫技术涉及的分子生物学应用中，我们所涉及到免疫电泳技术、放射免疫技术、免疫酶技术、免疫荧光定位技术等等，我们就免疫酶技术做一概述。 免疫酶技术是一项定位，定性和定量的综合性技术，已是将一定的酶通过共价桥而标记抗体，在抗原抗体结合时，酶与底物作用，产生有色物质，对后者可进行定位或定量检测。现已有酶免疫测定法，酶联免疫吸附试验和均向酶免疫测定等方法。后一种方法是利用游离抗原与标记抗原竞争结合抗体，如果游离抗原浓度高，就会抢去抗体，使供氢体得以接触酶而使酶的活性增加。用分光光度记可测出反应前后酶活性的变化。免疫酶技术如与新技术进一步结合，可提高其灵敏度和可靠性。

二、免疫学在医学中的应用 免疫学在医学中广泛应用于传染病预防，疾病治疗，免疫诊断。现代免疫学认为，机体的免疫功能是对抗原刺激的应答，而免疫应答又表现为免疫系统识别自己和排除非己的能力。免疫功能根据免疫识别发挥作用。这种功能大致有对外源性异物(主要是传染性因子)的免疫防御；去除衰退或损伤细胞的免疫，以保持自身稳定；消除突变细胞的免疫监视，即免疫防御，免疫自稳，免疫监视。 免疫学细胞免疫测定。 近代免疫学广泛采用了细胞生物学、免疫血清学、免疫标记、免疫组化等多方面技术，不断发展和完善了一系列细胞免疫检测技术，用于检测各类免疫细胞的表面标志(包括抗原及受体)、细胞的活化、增殖、吞噬、杀伤功能、各种细胞因子的活性或含量等方面。这些技术为深入研究和认识机体免疫系统的生理、病理改变，阐明某些疾病的发病机制和临床诊治提供了有用的手段。随着细胞免疫学的迅猛发展，时有新的细胞免疫检测技术出现。近年来，新发展的项目集中在对有关细胞因子以及细胞受体方面的检测。我们以此为例简述淋巴细胞转化试验。 淋巴细胞转化试验：人类淋巴细胞在体外与特异性抗原(如结核菌素)或非特异性有丝分裂原(如植物血凝素，PHA)等一起孵育，T细胞即被激活而向淋巴母细胞转化。T细胞转化过程可伴随有DNA、RNA、蛋白质的合成增加，最后导致细胞分裂。在光学显微镜下可计数转化后

原子力显微镜

原子力显微镜 一、实验目的 1了解原子力显微镜的工作原理 2掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法 二、实验原理 1. AFM基本原理 原子力显微镜的工作原理就是将探针装在一弹性微悬臂的一端，微悬臂的另一端固定，当探针在样品表面扫描时，探针与样品表面原子间的排斥力会使得微悬臂轻微变形，这样，微悬臂的轻微变形就可以作为探针和样品间排斥力的直接量度。一束激光经微悬臂的背面反射到光电检测器，可以精确测量微悬臂的微小变形，这样就实现了通过检测样品与探针之间的原子排斥力来反映样品表面形貌和其他表面结构。 在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。如图一显示。 1）力检测部分 在原子力显微镜系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。使用微悬臂来检测原子之间力的变化量。如图2所示，微悬臂通常由一个一般100～500μm长和大约500nm～5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。 （2）位置检测部分 在原子力显微镜系统中，当针尖与样品之间有了作用之后，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作信号处理。聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位置检测器，通过对落在检测器四个象限的光强进行计算，可以得到由于表面形貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到样品表面的不同信息。 （3）反馈系统 在原子力显微镜系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。 2.AFM 有三种不同的工作模式: 接触模式( contact mode) 、非接触模式(noncontact mode) 和共振模式或轻敲模式(Tapping Mode) 。（1）接触模式： 从概念上来理解，接触模式是AFM最直接的成像模式。AFM 在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持亲密的接触，而相互

AFM原子力显微镜技术及应用实验报告

原子力显微技术观测薄膜形貌 姓名：吴涵颖学号：5404312065 班级：工业工程122 一、实验目的： Ⅰ、学习和了解AFM的结构和原理。 Ⅱ、掌握AFM的操作和调试过程，并以之来观察薄膜表面的形貌。 Ⅲ、学习用计算机软件来处理原始数据图像。 二、实验原理简析： 1. AFM基本原理 原子力显微镜的工作原理就是将探针装在一弹性微悬臂的一端，微悬臂的另一端固定，当探针在样品表面扫描时，探针与样品表面原子间的排斥力会使得微悬臂轻微变形，这样，微悬臂的轻微变形就可以作为探针和样品间排斥力的直接量度。一束激光经微悬臂的背面反射到光电检测器，可以精确测量微悬臂的微小变形，这样就实现了通过检测样品与探针之间的原子排斥力来反映样品表面形貌和其他表面结构。 在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。如图一显示。 （1）力检测部分在原子力显微镜系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。使用微悬臂来检测原子之间力的变化量。如图2所示，微悬臂通常由一个一般100～500μm长和大约500nm～5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。 （2）位置检测部分在原子力显微镜系统中，当针尖与样品之间有了作用之后，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作信号处理。聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位置检测器，通过对落在检测器四个象限的光强

进行计算，可以得到由于表面形貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到样品表面的不同信息。 （3）反馈系统在原子力显微镜系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。 2.AFM 有三种不同的工作模式: 接触模式( contact mode) 、非接触模式(noncontact mode) 和共振模式或轻敲模式(Tapping Mode) 。 （1）接触模式： 从概念上来理解，接触模式是AFM最直接的成像模式。AFM 在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持亲密的接触，而相互作用力是排斥力。扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范围在10 - 10～10 - 6 N。若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选用接触模式对样品表面进行成像。 （2）非接触模式 非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方5～10 nm 的距离处振荡。这时，样品与针尖之间的相互作用由范德华力控制，通常为10 - 12 N ，样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体的表面。这种操作模式的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一小小的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面的压力。 （3）敲击模式 在敲击模式中，一种恒定的驱使力使探针悬臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样品时，悬臂振幅会减少到某一数值。在扫描过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定，亦即作用在样品上的力恒定，通过记录压电陶瓷管的移动得到样品表面形貌图。对于接触模式，由于探针和样品间的相互作用力会引起微悬臂发生形变，也就是说微悬臂的形变作为样品和针尖相互作用力的直接度量。同上述轻敲式，反馈系统保持针尖—样品作用力恒定从而得到表面形貌图。 原子力显微镜是用微小探针“摸索”样品表面来获得信息，所以测得的图像是样品最表面的形貌，而没有深度信息。扫描过程中，探针在选定区域沿着样品表面逐行扫描。 实验扫描的是光栅，纳米铜微粒以及纳米微粒，选用的是轻敲式。 敲击模式优点：敲击模式在一定程度上减小样品对针尖的粘滞现象，因为针尖与样品表面接触时，利用其振幅来克服针尖"样品间的粘附力。并且由于敲击模式作用力是垂直的，表面材料受横向摩擦力和剪切力的影响都比较小，减小扫描过程中针尖对样品的损坏。所以对于较软以及粘性较大的样品，应选用敲击模式。 三、实验步骤： 一、实验前准备： ①样品制备 1）薄膜样品制备 把之前实验制备得的铜微粒纳米材料分散到溶剂中，比较稀的状态下，然后涂于解离后的云母片上，自然晾干。 2）纳米微粒制备 把纳米微粒材料分散到溶剂中，比较稀的状态下，然后涂于解离后的云母片

从整体论、还原论到新的整体论——论生物学方法论的革命

从整体论、还原论到新的整体论——论生物学方法论的革命生物学方法论就是人们从事生物学科研的系统方法的理论[1]。迄今为止,生物学大致经历了三次重大的方法论的革命,它们分别就是整体论、还原论与新的整体论。事实上,每一次科学范式的转换过程中,相对科学技术进步而言,人们往往更加重视其方法论的革命。这就是因为方法论通常对一门学科如何进行具体实践乃至真正做到科学共同体的承认更具有关键意义。那么,生物学的方法论究竟如何推动生物学的范式转换？每一次的方法论革命解决了哪些问题？存在哪些不足？生物学的方法论最终要向何处去？本文尝试以生物学方法论革命为主题,对生物学整体论、还原论与新的整体论方法论的一系列相关问题进行哲学思考。 一、整体论生物学第一个经典的整体论方法论革命兴起在十七世纪到十九世纪欧洲,也就是使生物学成为一门科学的重要方法论。所谓的生物学整体论就是在近代的科学水平基础上发展出的一种把生物从整体角度研究的方法论[2],并在生物学史上开创性地把神学的生物学与科学的生物学划分开来,这充分体现在瑞典人林奈的《自然系统》论著中。书中所提出的纲(class)、目(order)、属(genus)、种(species)的分类概念正就是整体论生物学的首创。它标志着人类开始第一次自主地与系统地对动植物进行命名与分类。此时,上帝与诸神的作用已经开始被逐渐忽略。另一方面,整体论还特别

为生物学发展出两条研究进路。一种就是静态的,即把人与生物用简单、静止与机械的观点瞧成由各种零件构成的机器。此理论以牛顿的机械唯物主义为哲学依据,并以英国人哈维的血液循环学说为代表。另一种就是动态的,即把生物瞧作就是漫长进化链条中一环的整体论,以英国人达尔文《物种起源》为代表学说。此理论主要从物竞天择、适者生存的角度动态地研究生物的整体运动。此时,生物已不再就是神创造的产物,而就是自然进化的结果。在这里,创世说已经被彻底搁置在一边了。整体论生物学方法论的兴起本质上就是近代科学的方法论在生物学领域的体现。事实上,近代的科学方法论正就是以整体的认识论为前提,以科学实验为依据,从而建立起来的一整套的科学研究方法体系。近代的数学、物理学、化学、哲学、社会科学、历史等基础学科也均遵循整体方法论自觉与不自觉的指导。整体论的科学方法论总的特征大致可以归纳为三重架构。首先,事物就是整体性的。这就是把事物作为整体研究的出发点。即所谓整体大于部分之与。其次,事物就是运动性的。这反映出整体论对事物存在方式的基本判断。最后,作为整体的运动就是符合因果律的。譬如牛顿第一定律所阐述的,事物在未受外力作用时将始终保持静止或匀速直线运动,直到外力的破坏为止。这为数学、逻辑与实证方法的应用提供了条件。具体到法国人拉美特里的人就是机器的观点,我们可以瞧到这样的描述。人就是一个机

原子力显微镜技术及其在细胞生物学中的应用

原子力显微镜技术及其在细胞生物学中的应用 摘要从原子力显微镜的发展、特点、操作模式以及联用技术等方面对原子力显微镜技术作了简要的介绍, 从细胞固定方法、细胞成像、力检测以及细胞操纵等方面综述了原子力显微镜技术在细胞生物学方面的应用, 并对原子力显微镜技术的发展进行了展望. 关键词原子力显微镜操作模式联用技术细胞生物学 最近几十年来, 纳米尺度上物质的结构、相互作用以及一些特殊的现象等越来越受到关注, 各种研究方法和仪器手段也应运而生, 原子力显微镜(AFM)就是其中的一种, 它是扫描探针显微镜(SPM)家族中的一个重要代表. 20世纪80年代初[1,2], 具有原子级分辨率的表面形貌测试仪—扫描隧道显微镜(STM)在IBM苏黎世实验室问世. 由于其可在多种环境下工作, 且制样简单, 因此很快就得到了广泛的应用. 然而, 随着STM在表面科学和生命科学领域的广泛应用, 它的一些不足之处如样品必须导电等逐渐暴露出来. 在1986年, 基于样品-针尖相互作用力的高分辨原子力显微镜(AFM)诞生[3], 它能获得纳米尺度上物质表面形貌并实现分子间相互作用力的检测, 因此很快在生命科学领域得到了广泛的应用, 无论是生物小分子还是核酸、蛋白质等生物大分子以及细胞方面都有研究报道. 本文拟对原子力显微术及其在细胞生物学方面的应用进行综述. 1 原子力显微镜简介 原子力显微镜通过控制并检测样品-针尖间的相互作用力来实现高分辨成像[1,4]. 首先控制微悬臂顶端的微小针尖, 使其与待测样品表面有某种形式的力接触, 然后通过压电陶瓷三维扫描器驱动针尖或样品作相对扫描, 作用在样品与针尖之间的各种作用力会使微悬臂发生形变, 这些形变可通过光学或电学的方法检测, 最后转化成图像输出(如图1). AFM具有以下特点: (1) 待测样品无需导电; (2) 可得到高分辨物体表面的三维形貌; (3) 可以在多种环境(如真空、大气、溶液、低温等)下工作, 特别是在溶液环境下生物样品可保持其自然状态, 从而避免制样过程中所造成的样品变形或变性; (4) 可以进行连续动态分析. 它能在接近生理状态的条件下观察样品, 因此许多研究者通过对生物样品的连续成像, 以了解某些生命活动的动态过程.

生物学经典科普著作

书名 主题 作者 阅览室 索书号 备注 物种起源 达尔文学说 达尔文 中文自科图书 Q111.2/003/2011 进化与遗传的全面考察和经典阐述 达尔文进化论全集 达尔文学说 达尔文 叶笃庄 中文自科图书 Q111.2/007 本书叙述了达尔文的家谱、自传及其儿子对父亲的日常生活回忆,达尔文各个时期的书信等。自达尔文以来 达尔文学说 (美)斯蒂芬·杰·古尔德(Stephen Jay Gould) 中文自科图书 N49/266 这本科学家撰写的散文杰作，收集了古尔德在《自然史》杂志上发表的科学随想。作者在哈佛大学教生物学，是科学内行，又有历史家的眼光。 一个自然科学家在贝格尔舰上的环球旅行记 达尔文学说 (英)查理士·达尔文(Charles Darwin) 周邦立 教学参考书(保存本) Y-407/057 本书是达尔文搭乘贝格尔号环球旅行途中对地质学和生物学的一些所见所闻及思考和感悟。这次考察旅行奠定了达尔文进化论学说的基础。 生命科学史 生物学史 玛格纳 刘学礼 中文自科图书 Q-09/004 以广阔的文化史为背景，生动地描绘了生命科学起源和发展的过程。以极为丰富的材料论述

了许多生物科学家创造性的劳动，对生物学发展的逻辑和社会历史背景等重要问题进行了探讨。 花鸟虫鱼及其他 中国科普佳作精选 周建人 中文自科图书 Q-49/032 本书主要收录了周建人早年撰写的花鸟虫鱼等科学小品，也适当地选了一些晚年写的有关普及科学和思想革命的小品文，以窥周老科学思想之一斑。 生物史图说 生物学史 黎先耀 刘思孔 中文自科图书 Q-09/002 远古的悸动 生命起源与进化 周志炎 冯伟民 许汉奎 傅强 中文自科图书 Q10-49/005 本书按地质年代顺序讲述了近40亿年的地球生命故事，涉及地球的演变与生物的进化以及每个时代特征生物类群的描述；同时，对我国发现的重要化石群作了重点介绍。 生命是什么 薛定谔 图书馆没有 下载地址：https://www.wendangku.net/doc/5912154712.html,/f/22295637.html 诺贝尔奖获得者埃尔温·薛定谔的《生命是什么》是20世纪的伟大科学经典之一。 生命之科学 威尔士 郭沫若 教学参考书(保存本) Y-462.1/001 本书是一部关于生命科学的巨著，是对于生命发展历程的大检阅。作者用深入浅出的文艺笔法探讨了地球的生命起源、生物进化和其分类，以及人类的生理和心理现象，对于整个生命发展历程用一种溯本求源的方式娓娓道来，堪称经典。 地球生物之谜 生物学 何静夫

电子学在医学上的应用

生物医学电子学是应用电子技术解决生物医学中的问题，从生命体本身的特殊性出发，来研究生物医学信号的检测、处理、显示与记录等电子学在生物医学应用中的理论、方法与手段。 生物医学电子学作为一个独立学科是从二十世纪五十年代确立并逐步发展起来的。但是在生物医学领域中，大量的电子学的科学技术知识和成果已经获得广泛应用，激发了生物医学欧诺工作着与工程师或物理学家之间的密切合作。生物医学电子学发展十分迅速，研究领域不断括宽，地位日益重要，展示了越来越广阔的发展前景。生物医学电子学综合应用电子学和有关工程技术的理论和方法，从工程科学的角度研究生物、人体的结构和功能以及功能与结构之间的相互关系。[1] 电子学由产生的那刻，就注定是为其他学科服务，也与其他学科共同发展。特别是在生物电被发现后，生物医学和电子学更是一拍即合，相互扶持，共同为人类的健康服务和发展着。 1676年，光学显微镜的发明，使人类进入了微观的世界，推动着医学的发展。1895年，X射线的发现，使得医学更上一层楼。上世纪三十年代，电子显微镜的产生推动着微生物学的发展，也因此使医学更进入了更精微的世界。 随着生物医学电子学的发展，电子技术逐步深入医学领域：医学的电子设备、人造器官等等。如果这些技术和设备消失了，那么，很多的医疗技术也会随之消失，甚至很多小毛病也会因此没检查出来结果变大病然后死亡。 说到医疗的电子设备，很多人都了解，例如呼吸机、CT、心电图仪器等。下面，就详细讲解心图仪器： 心电图是一种经胸腔的以时间为单位记录心脏的电生理活动，并通过皮肤上的电极捕捉并记录下来的诊疗技术。这是一种无创性的记录方式

人体心脏工作产生的生物电流在身体表面不同部位产生不同电势，并且随心跳的节律呈现规律性的升降变化，通过电极将变化着的电位差检测并记录下来就是心电图（ECG）。心电信号是一种带宽为至100Hz（有时高达1kHz），幅度在10μV~5mv 的微弱交流信号，并且混杂有人体生物电干扰以及各种外部电磁干扰。如何从环境噪声中提取微弱的心电信号是设计的难点和要点。[2] 低成本低功耗便携式简易心电图仪是设计的最大考量。它顺应了保健电子产品设计的发展趋势。系统采用常见电池供电，能采集标准导联方式I或II心电信号，通过放大、滤波得模拟心电信号（ECG），并能利用液晶实时显示或存储回放ECG波形。 分析可知，简易心电图仪系统主要包括输入回路、前置放大模块、后级放大模块、滤波网络模块以及存储回放等模块。设计重点在于前置放大模块，和滤波网络模块和数字化存储回放部分。 在未来，可植入式的装置可能会应用于相性心电图的记录和诊断。这些装置还有可能通过兴奋某些神经（如，迷走神经）的方式来防止心律失常的发生。此外，这些装置还可能释放药物，如β受体阻断剂，甚至可以直接对心脏进行除颤。 作为交叉科学，生物医学电子学的研究是双向的：一方面将电子学用于生物和医学领域，使这些领域的研究方式从定性提高到定量、从宏观到微观、从静态到动态、从单向信息到多项信息；另一方面生命过程中揭示出的许多规律，特别是经过亿万年进化而形成的生物信息处理的优异特性将会给电子学科以重要的启示，这不仅会推动电子学的发展，还将会使信息科学发生革命性的变革。 参考文献： [1]李刚.生物医学电子学[M].北京：电子工业出版社，2008 [2]易淑华，胡苗苗，曹鹏.简易心电图仪[DB/OL].，2010-08-17/2012-05-24