为了探讨细胞内部的基因表达调控、信息传导、物质代谢和能量转换过程在维系细胞的正常生物学行为中的作用，认识这些过程的非正常化如何导致细胞的非正常生物行为，人们不仅需要在分子水平上了解每个生化过程的内涵，而且还需要对细胞的形貌特征、物理学性质以及生理学信息进行全面的解析和诠释。利用微观测与微操控技术检测细胞在不同的生理和病理状态下的形貌特征和物理学特性，从中提取能够反映细胞内部生物反应和细胞状态的生物标志物信息，揭示细胞物理学参数与细胞生物学性状的关联性，我们可以通过研究生物大分子之间的相互作用来奠定前期工作基础。原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)作为上个世纪80年代发明的一种获取物体表面纳米尺度信息的工具，为细胞与亚细胞结构及相互作用力的相关研究提供了强有力的技术手段。　　我们在本研究中主要利用AFM的技术特点，初步分析在大气和液体环境中对不同样品进行形态学上的扫描研究，对于AFM在液体条件中的操作条件进行优化对比。以此来考查在接近生理条件的缓冲溶液环境下，利用AFM来进行检测的优势，并优化在液相环境中对样品进行形貌扫描分析的操作条件。同时我们利用天然的云母片、醛基修饰的玻璃片等，对其进行形态特征进行研究，从而为了在研究生物样品时，可以选择更加适用于液体环境操作的AFM基底。在原子力显微镜研究生物样品的操作中，常用的基底材料一般采用化学修饰的基底或者云母片。云母片表面具有电荷，固定样品可以通过静电吸附作用来实现，而样品通过化学修饰到基底表面和云母片的静电吸附相比较，化学修饰可以增加基底表面结合的生物样品数量，同时共价键的作用力大于静电吸附，因此，我们需要参考进行下一步研究的目的和方案，来进行基底材料的选择。为后期工作利用AFM在接近生理的条件下研究生物大分子间的相互作用，形态活性，以及研究一些重要的生物学动态过程，提供科学的实验基础。另外，通过我们的研究发现，AFM在液体条件下可以消除表面毛细作用和静电力的干扰，因此在液体条件中所得的样品形貌图像更能反映出被测样品的真实状态。　　其次我们对AFM在气相和液相条件下的探针力-距离曲线进行了分析比对，并以此测量生物大分子间的相互作用力。同时，我们对实验过程中的技术操作问题进行了改进，如减少温漂问题、弹性系数精准测量的方法、Trigger mode的选择、XY方向大范围内闭环系统的选择、控制的多样性优化选择。在力-距离曲线的测量中，由于采集的数据是通过AFM探针与基底弹性力的改变实时监测后得出的，为了解决数据信息量大的问题，我们选择聚类分析算法进行数据处理。对k-means算法的深入分析过程中发现选择适当的初始质心是k-means算法执行过程的关键步骤，因此我们对其进行改进，对数据分析的算法程序进行了改编，为解析生理条件下生物分子之间的相互作用力及生物反应过程中的动力学奠定初步的数据分析手段。原子力显微镜在液相条件下进行分子间作用力测量的操作中，我们针对实验过程中的技术操作及数据处理方面进行了优化，通过改变实验条件降低了温飘的影响，通过液体动力学模型对弹性系数进行精确测量，选用trigger mode模式来消除基底的影响，选取XY方向大范围内闭环系统来增大扫描范围，降低位置漂移，改变多个参量，达到多样化的控制;同时对k-means算法进行了程序上的改进，这不同于实验条件的优化，而是针对控制程序进行的改良。　　第三，目前的实验手段在针对DNA分子双螺旋结构的研究中，还无法测量出与解链温度直接相关的杂交双链的成链亲和力，无法分辨出互补杂交双链的链间相互作用和链内相互作用，也就是双链DNA分子间的氢键结合力和碱基堆积力。为了能够在分子水平上全面系统地认识基因探针-靶标核酸杂交双链的成键特性，认识基因探针对靶标核酸和非靶标核酸的辨异能力，我们利用原子力显微镜测量基因探针与靶标核酸相互结合时的力-距离曲线，并由此导出最直接的物理参数:氢键结合力和碱基堆积力。以自行设计的两种测量模式为基础，即解螺旋模式和拉伸模式分别测量DNA双链的成键特性，并计算出氢键结合力和碱基堆积力。有关DNA双螺旋结构中碱基堆积力的测量，这方面的工作还未见报道，多见的是氢键结合力的测量，我们设计模式中的拉伸模式即对应于碱基堆积力的测量。在形成DNA双螺旋的过程中，NaCl浓度的影响是至关重要的，而文献中对于盐浓度的选择并无统一的标准;同时，对于探针在基底表面的停留时间以及探针的加载速度也无准确的报道，这些不确定因素导致文献中，DNA双螺旋结构的氢键结合力测量数据的不一致性。因此，我们在进行双链DNA分子互补杂交双链的链间相互作用和链内相互作用的测量中，对上述条件进行了选择性优化，从而得出在目前条件下比较稳定的测量方法，并推导出双链DNA分子间的氢键结合力和碱基堆积力。这种pN级力的数据积累，对于研究病理条件下双链DNA分子间作用力的变化具有指导意义。在利用原子力显微镜进行双链DNA分子间的氢键结合力和碱基堆积力测量的时候，我们设计了含有10、14、20bp碱基对的寡核苷酸序列，形成G-C及A-T完全匹配的互补序列，通过对探针表面及醛基玻片基底分别进行化学修饰，并利用解螺旋模式和拉伸模式进行测量，选择NaCl浓度为100mM，探针在基底表面停留时间为10s、探针加载速度20nm/s，作为最佳的测量环境，进而得出结论。在形成的DNA双螺旋结构中，G-C间的氢键作用力为（20±0.2）pN，A-T间的氢键作用力为（14±0.3）pN，DNA双螺旋间的碱基堆积力为（2±0.1）pN。　　通过以上实验，我们为进一步利用AFM在接近生理的条件下对生物样品之间相互作用的动态研究，以及适用于更广范围内的细胞物理特性的测量和相关操控提供了可靠的实验依据。