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、濃縮等操作過程，最終把目標(biāo)金屬?gòu)牡V物中浸出的過程，同時(shí)也涉及礦物加工、冶金、微生物、礦物浮選等多門學(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是一種特殊類型的顯微鏡，可以“感覺”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

礦物的浮選過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，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程，通過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)問題。

隨著AFM技術(shù)的快速發(fā)展，AFM膠體探針技術(shù)通過測(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程和在微觀上解釋物體間的相互作用機(jī)理開拓了一種新的思路。

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)者通過測(cè)定AFM力曲線來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)備受國(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，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

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。