原子力學(xué)顯微鏡在生物冶金領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

孫登科，王利沙，李平

（濰坊護(hù)理職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261000）

納米技術(shù)作為21世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命的核心高新技術(shù)，發(fā)展迅速且研究廣泛。原子力學(xué)顯微鏡（Atomic Force Microscope，簡(jiǎn)稱AFM）是納米技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，普及速度和應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)超于掃描隧道顯微鏡 (簡(jiǎn)稱STM)及掃描探針顯微鏡（簡(jiǎn)稱SPM），利用探針與原子之間的作用力，進(jìn)而達(dá)到檢測(cè)的目的，具有納米級(jí)別的分辨率。AFM具有以下優(yōu)勢(shì)：操作過(guò)程不受外界環(huán)境影響、分辨率較高、研究對(duì)象廣泛、樣品制作簡(jiǎn)單等，在生物冶金、材料科學(xué)、生命科學(xué)、礦物等領(lǐng)域備受關(guān)注，尤其是在生物冶金技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮了極其重要的作用。生物冶金技術(shù)，又稱為生物浸出技術(shù)，通常是指在浸礦微生物的氧化還原作用下，將礦物中的有用金屬以離子或沉淀的形式釋放到水溶液中，再進(jìn)行純化、富集、濃縮等操作過(guò)程，最終把目標(biāo)金屬?gòu)牡V物中浸出的過(guò)程，同時(shí)也涉及礦物加工、冶金、微生物、礦物浮選等多門(mén)學(xué)科的一種冶金技術(shù)。生物冶金技術(shù)中的浸礦微生物個(gè)體都非常小，且微生物與礦物的界面作用對(duì)探究生物冶金的作用機(jī)理具有重要作用，AFM具有極高的分辨率，可以直接觀察微生物的分子和原子，因此AFM在礦物與微生物的界面作用方面將會(huì)發(fā)揮重要的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景和強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 原子力學(xué)顯微鏡的概述

AFM可以通過(guò)檢測(cè)探針（Tip）和樣品之間的相互作用力，進(jìn)而分析樣品的表面整體圖像、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和三維樣貌，例如與細(xì)菌作用后礦物表面的腐蝕程度、浸礦微生物的形態(tài)變化及聚集程度等。AFM的操作過(guò)程不受真空環(huán)境和樣品的化學(xué)和物理性質(zhì)的限制，可以在不同的溫度和空氣、液體等環(huán)境條件下來(lái)精細(xì)的研究樣品的表面性質(zhì)，同時(shí)具有納米級(jí)別的高分辨率使其在礦物工程、生物工程、表面化學(xué)等領(lǐng)域備受關(guān)注。

本文將結(jié)合AFM的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)，對(duì)其在生物冶金領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)和概述，包括其在礦物表面性質(zhì)的研究、浸礦微生物的形態(tài)特征等方面進(jìn)行闡述，希望能夠?yàn)楹罄m(xù)的研究奠定理論基礎(chǔ)。

2 原子力學(xué)顯微鏡的優(yōu)勢(shì)

2.1 分辨率高

AFM是一種特殊類(lèi)型的顯微鏡，可以“感覺(jué)”樣品表面上的原子，觀察樣品表面的原子排列情況，進(jìn)而能夠提取樣品表面的高橫向和縱向分辨率圖像，對(duì)生物樣品進(jìn)行納米水平的觀測(cè)，這也是其他顯微鏡所不能辦到的。

2.2 環(huán)境要求低

AFM可以在多種環(huán)境條件下對(duì)樣品進(jìn)行掃描成像，例如真空、低溫、高溫、液體環(huán)境等。由于其呈現(xiàn)的三維圖像更加的逼真，便于觀察生物的動(dòng)態(tài)生理過(guò)程，因此在微生物活細(xì)胞形態(tài)觀察方面具有極大的實(shí)用意義。

2.3 樣品制作簡(jiǎn)單

AFM所觀察的樣品不需要進(jìn)行染色、固定、包埋等的預(yù)處理，在一定程度上降低了數(shù)據(jù)的誤差范圍，提高了樣品的精確度、圖像的清晰度和可重復(fù)性，也拓寬了AFM的應(yīng)用范圍。

3 原子力學(xué)顯微鏡的應(yīng)用

3.1 AFM在礦物浮選中的應(yīng)用

礦物的浮選過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，也是冶金生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的一種選礦方法。隨著近年來(lái)AFM測(cè)試技術(shù)的快速發(fā)展，AFM可以實(shí)時(shí)探測(cè)浮選藥劑在礦物表面上的吸附，觀察礦石的表面形貌變化，有助于深入理解礦物浮選過(guò)程的吸附機(jī)理。LI等利用AFM從原子水平上研究了赤鐵礦的浮選過(guò)程，通過(guò)AFM成像和橫截面成像顯示了油酸鹽和淀粉在礦表面的吸附構(gòu)型，有助于解決赤鐵礦抑制劑的篩選和設(shè)計(jì)問(wèn)題。

隨著AFM技術(shù)的快速發(fā)展，AFM膠體探針技術(shù)通過(guò)測(cè)量膠體探針與表面之間的作用力也被廣泛應(yīng)用于礦物分離中，為研究礦物的浮選過(guò)程和在微觀上解釋物體間的相互作用機(jī)理開(kāi)拓了一種新的思路。

3.2 AFM在礦物加工領(lǐng)域的應(yīng)用

3.2.1 礦物表面微形貌的觀察

基于AFM技術(shù)的應(yīng)用，很多學(xué)者研究了微生物與黃鐵礦、黃銅礦等相互作用前后，吸附在礦物表面的浸礦菌的形態(tài)變化以及礦物與細(xì)菌作用后的腐蝕形貌圖，為后續(xù)探索微生物與礦物之間的浸出機(jī)理提供理論依據(jù)。

3.2.2 礦物表面原子的分布

在我國(guó)，通過(guò)利用AFM得到了氮化硼、石墨和二硫化鉬的表面原子圖像，相繼又在大氣環(huán)境下獲得了黃鐵礦、輝鉬礦、方鉛礦等的原子級(jí)別分辨率圖像，其中我國(guó)首次觀察到了方鉛礦表面的硫和鉛原子。

3.2.3 礦物表面間作用力的測(cè)定

研究結(jié)果表明，利用AFM測(cè)量礦物表面的范德華力、表面張力等方面具有重大的意義。研究學(xué)者通過(guò)測(cè)定AFM力曲線來(lái)比較鋁土礦和黏土礦在不同捕收劑溶液中的黏附力和接觸角大小，為研究礦物的改性提供了理論指導(dǎo)。

3.3 AFM在浸礦菌的應(yīng)用

生物冶金技術(shù)憑借其自身的優(yōu)勢(shì)備受?chē)?guó)內(nèi)外研究礦產(chǎn)資源技術(shù)的青睞，其中浸礦菌的選擇也是生物冶金技術(shù)的關(guān)鍵。浸礦菌與礦物作用后，能夠分泌胞外多聚物（EPS）并以生物膜的形式覆蓋在礦物表面，有利于礦物發(fā)生氧化溶解作用，也是影響礦物浸出效率的關(guān)鍵因素，因此研究微生物生物膜具有重要意義。近年來(lái)，很多學(xué)者采用多種方法研究浸礦菌的EPS，例如采用AFM結(jié)合激光共聚焦顯微鏡、核磁共振光譜技術(shù)等技術(shù)研究生物浸出過(guò)程中浸礦菌在礦物表面的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生物膜的原位分布情況及其存在的狀態(tài)等，旨在為生物冶金領(lǐng)域生物膜的作用機(jī)理提供重要的方法支撐；利用AFM原位定量測(cè)量解鉀菌與含鉀礦物界面受力作用以及菌在礦物表面生物膜的形成，對(duì)于理解菌在礦物表面的親和力具有重要作用。

4 結(jié)語(yǔ)

AFM借助于其分辨率高、環(huán)境要求低、樣品制作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，能夠形象直觀的觀測(cè)到樣品的形態(tài)和表面形貌變化；探索浮選藥劑在礦物表面的吸附效果；檢測(cè)礦物表面原子的分布及在礦物之間的相互作用等，使其在浮選和礦物加工等領(lǐng)域取得了許多研究成果。但是AFM對(duì)檢測(cè)礦物的晶體結(jié)構(gòu)、組成元素、化學(xué)成像能力以及樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面有所欠缺，因此，我們?cè)谘芯糠矫鎽?yīng)積極利用AFM的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合X射線衍射技術(shù)、CLSM、傅里葉變換紅外光譜等相結(jié)合使用，將會(huì)為礦物方面的研究提供新的思路和良好借鑒。綜上所述，AFM在生物冶金研究領(lǐng)域具有強(qiáng)大的生命力，在一定程度上將會(huì)促進(jìn)生物浸出技術(shù)的發(fā)展，提高礦產(chǎn)資源的利用率。