综述：生物医学中的静电力显微镜技术：从分子电荷传输到细胞电表型分析

《Biophysical Chemistry》：Electrostatic force microscopy in biomedicine: From molecular charge transport to cellular electrophenotyping

　　

陈俊梅|徐倩慧|张怀伟|陈丹宏|袁新荣|万梦柔|钟海健|赵卫东

江西省组织工程重点实验室（2024SSY06291），赣南医学院，中国赣州341000

摘要

静电力显微镜（EFM）是原子力显微镜（AFM）的延伸技术，通过检测长程静电力梯度来表征纳米尺度上的电学性质。它能够同时获取生物样本的形貌和电学信息。动态电学变化是所有生命过程的基础，从生物分子电荷传输到细胞电生理学都离不开这一现象。EFM的高分辨率和非破坏性使其成为揭示生物界面物理机制的关键工具。本文系统阐述了EFM原理的发展历程，包括为生物学研究优化的操作模式，并分析了其在生物分子、亚细胞结构、细胞以及病理诊断等领域的应用。文章还讨论了跨尺度介电相关性及当前的技术挑战，并提出了异频高次谐波检测和多模态集成等先进解决方案，为EFM在生物医学领域的应用提供了系统性的展望。

引言

电学性质是生命系统的基本特征，它们调控着从分子电荷转移和蛋白质构象变化到细胞膜电位动态以及细胞间信号传递等关键过程[1]。在细胞层面，膜电位、离子通道的开启与关闭以及电荷分布控制着物质运输、信号转导和细胞间通讯[2]。在分子层面，蛋白质、核酸等生物大分子具有固有的偶极矩和电学特性，这些特性直接反映了它们的结构状态和功能活动[3]。因此，实现对生物系统电学性质的高分辨率原位表征对于阐明生命活动的分子调控机制具有重要意义。

传统的电学表征技术在分析复杂生物系统时存在固有局限性。介电光谱技术可以提供体相介电信息，但其空间分辨率仅达到毫米到厘米级别，无法解析细胞或亚细胞层面的电学异质性[4]。荧光偏振光谱依赖于外源性荧光标记，这可能会干扰生物分子的天然构象并导致光漂白或光毒性[5]。扫描离子导电显微镜（SICM）虽然可以绘制形貌图，但对局部介电常数和电荷密度不敏感[6]。这些限制阻碍了对活体生物系统中电学行为的准确和非侵入性研究。

静电力显微镜（EFM）是原子力显微镜（AFM）的功能衍生技术，它通过检测导电探针与样品之间的长程静电力梯度来表征纳米尺度上的电学性质。采用双扫描策略，EFM能够同时获取样品的形貌和电学信号，有效消除形貌干扰，实现电学性质的独立映射[7]、[8]、[9]。凭借纳米级的空间分辨率、对微弱电信号的敏感度、非破坏性检测能力以及与接近生理环境的兼容性，EFM已成为研究生物分子、亚细胞结构和单细胞电学及介电特性的强大工具[10]、[11]。

近年来，通过方法优化（如生物相容性操作模式、液相信号增强、生理温度控制以及温和的样品制备策略），EFM在生物医学研究中的应用日益广泛[12]。这些进展使其应用范围从无生命的纳米材料扩展到脆弱的生物系统，实现了无标记的介电成像、单细胞电表型分析以及病理电学表征。

本文系统阐述了EFM在生物研究中的基本原理、操作模式和方法优化。总结了EFM在各个生物尺度上的应用进展，包括生物分子电荷传输、亚细胞介电特性、单细胞电生理异质性以及与疾病相关的电学变化。同时，讨论了当前的技术挑战及多模态集成、异频高次谐波检测和机器学习等新兴策略，为EFM在生物医学领域的进一步发展提供了全面视角。

章节摘录

EFM技术原理及生物实验方法的优化

作为扫描探针显微镜（SPM）家族中的核心技术，AFM基于探针与样品表面原子之间的相互作用力进行工作（图1A）[13]。它突破了光学衍射极限，能够在纳米甚至原子尺度上进行形貌表征。AFM的关键组件包括一个带有尖锐尖端的柔性悬臂、激光反射系统和压电陶瓷扫描器[14]。在扫描过程中，表面形貌的变化会引发...

EFM在生物医学中的应用涵盖了多个尺度，从单个生物大分子和亚细胞结构到单细胞和组织切片。尽管研究的生物样本种类繁多，但它们所探讨的科学问题具有高度一致性。因此，我们将现有研究分为三个互补的核心范式：(i) 结构功能相关成像，直接建立纳米尺度物理现象与生物功能之间的因果关系...

前沿进展与集成技术创新

EFM技术的最新进展在空间分辨率方面取得了显著突破。异频高次谐波EFM技术的开发使空间分辨率提高了2-3倍，使得金属碳纳米管和半导体碳纳米管之间的区分更加精确...

尽管EFM在生物纳米电学表征方面具有巨大潜力，但它从一种技术工具发展成为成熟的生物研究方法的过程中面临多重挑战。这些挑战涉及样品制备、数据采集和结果解释等方面，限制了其在复杂生物系统研究中的深度和广度。

EFM已成为纳米生物物理学研究中不可或缺的工具，能够独特地关联生物系统在接近生理条件下的结构和电学特性。本文系统回顾了EFM从专用AFM模式发展成为多功能纳米介电表征平台的历程。通过双扫描方式分离形貌信息和电学相互作用...

陈俊梅：撰写——初稿撰写、数据分析。徐倩慧：撰写——初稿撰写、数据分析。张怀伟：撰写——初稿撰写、数据分析。陈丹宏：撰写——初稿撰写、数据分析。袁新荣：撰写——初稿撰写。万梦柔：撰写——初稿撰写。钟海健：撰写——审稿与编辑、资源协调、资金申请。赵卫东：撰写——审稿与编辑、...

作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文研究的个人关系。

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：62571141和62164001）以及赣南医学院的启动资金（项目编号：QD202011和QD201906）的支持。