原子力学显微镜在生物冶金领域中的应用研究

孙登科，王利沙，李平

（潍坊护理职业学院，山东 潍坊 261000）

纳米技术作为21世纪产业革命的核心高新技术，发展迅速且研究广泛。原子力学显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是纳米技术发展的重要基础，普及速度和应用领域远远超于扫描隧道显微镜 (简称STM)及扫描探针显微镜（简称SPM），利用探针与原子之间的作用力，进而达到检测的目的，具有纳米级别的分辨率。AFM具有以下优势：操作过程不受外界环境影响、分辨率较高、研究对象广泛、样品制作简单等，在生物冶金、材料科学、生命科学、矿物等领域备受关注，尤其是在生物冶金技术领域发挥了极其重要的作用。生物冶金技术，又称为生物浸出技术，通常是指在浸矿微生物的氧化还原作用下，将矿物中的有用金属以离子或沉淀的形式释放到水溶液中，再进行纯化、富集、浓缩等操作过程，最终把目标金属从矿物中浸出的过程，同时也涉及矿物加工、冶金、微生物、矿物浮选等多门学科的一种冶金技术。生物冶金技术中的浸矿微生物个体都非常小，且微生物与矿物的界面作用对探究生物冶金的作用机理具有重要作用，AFM具有极高的分辨率，可以直接观察微生物的分子和原子，因此AFM在矿物与微生物的界面作用方面将会发挥重要的作用，具有广阔的应用前景和强大的发展潜力。

1 原子力学显微镜的概述

AFM可以通过检测探针（Tip）和样品之间的相互作用力，进而分析样品的表面整体图像、物理性质、化学性质和三维样貌，例如与细菌作用后矿物表面的腐蚀程度、浸矿微生物的形态变化及聚集程度等。AFM的操作过程不受真空环境和样品的化学和物理性质的限制，可以在不同的温度和空气、液体等环境条件下来精细的研究样品的表面性质，同时具有纳米级别的高分辨率使其在矿物工程、生物工程、表面化学等领域备受关注。

本文将结合AFM的优势及特点，对其在生物冶金领域的应用进行总结和概述，包括其在矿物表面性质的研究、浸矿微生物的形态特征等方面进行阐述，希望能够为后续的研究奠定理论基础。

2 原子力学显微镜的优势

2.1 分辨率高

AFM是一种特殊类型的显微镜，可以“感觉”样品表面上的原子，观察样品表面的原子排列情况，进而能够提取样品表面的高横向和纵向分辨率图像，对生物样品进行纳米水平的观测，这也是其他显微镜所不能办到的。

2.2 环境要求低

AFM可以在多种环境条件下对样品进行扫描成像，例如真空、低温、高温、液体环境等。由于其呈现的三维图像更加的逼真，便于观察生物的动态生理过程，因此在微生物活细胞形态观察方面具有极大的实用意义。

2.3 样品制作简单

AFM所观察的样品不需要进行染色、固定、包埋等的预处理，在一定程度上降低了数据的误差范围，提高了样品的精确度、图像的清晰度和可重复性，也拓宽了AFM的应用范围。

3 原子力学显微镜的应用

3.1 AFM在矿物浮选中的应用

矿物的浮选过程是一个复杂的过程，也是冶金生产中应用最广泛的一种选矿方法。随着近年来AFM测试技术的快速发展，AFM可以实时探测浮选药剂在矿物表面上的吸附，观察矿石的表面形貌变化，有助于深入理解矿物浮选过程的吸附机理。LI等利用AFM从原子水平上研究了赤铁矿的浮选过程，通过AFM成像和横截面成像显示了油酸盐和淀粉在矿表面的吸附构型，有助于解决赤铁矿抑制剂的筛选和设计问题。

随着AFM技术的快速发展，AFM胶体探针技术通过测量胶体探针与表面之间的作用力也被广泛应用于矿物分离中，为研究矿物的浮选过程和在微观上解释物体间的相互作用机理开拓了一种新的思路。

3.2 AFM在矿物加工领域的应用

3.2.1 矿物表面微形貌的观察

基于AFM技术的应用，很多学者研究了微生物与黄铁矿、黄铜矿等相互作用前后，吸附在矿物表面的浸矿菌的形态变化以及矿物与细菌作用后的腐蚀形貌图，为后续探索微生物与矿物之间的浸出机理提供理论依据。

3.2.2 矿物表面原子的分布

在我国，通过利用AFM得到了氮化硼、石墨和二硫化钼的表面原子图像，相继又在大气环境下获得了黄铁矿、辉钼矿、方铅矿等的原子级别分辨率图像，其中我国首次观察到了方铅矿表面的硫和铅原子。

3.2.3 矿物表面间作用力的测定

研究结果表明，利用AFM测量矿物表面的范德华力、表面张力等方面具有重大的意义。研究学者通过测定AFM力曲线来比较铝土矿和黏土矿在不同捕收剂溶液中的黏附力和接触角大小，为研究矿物的改性提供了理论指导。

3.3 AFM在浸矿菌的应用

生物冶金技术凭借其自身的优势备受国内外研究矿产资源技术的青睐，其中浸矿菌的选择也是生物冶金技术的关键。浸矿菌与矿物作用后，能够分泌胞外多聚物（EPS）并以生物膜的形式覆盖在矿物表面，有利于矿物发生氧化溶解作用，也是影响矿物浸出效率的关键因素，因此研究微生物生物膜具有重要意义。近年来，很多学者采用多种方法研究浸矿菌的EPS，例如采用AFM结合激光共聚焦显微镜、核磁共振光谱技术等技术研究生物浸出过程中浸矿菌在矿物表面的形态结构、生物膜的原位分布情况及其存在的状态等，旨在为生物冶金领域生物膜的作用机理提供重要的方法支撑；利用AFM原位定量测量解钾菌与含钾矿物界面受力作用以及菌在矿物表面生物膜的形成，对于理解菌在矿物表面的亲和力具有重要作用。

4 结语

AFM借助于其分辨率高、环境要求低、样品制作简单等优势，能够形象直观的观测到样品的形态和表面形貌变化；探索浮选药剂在矿物表面的吸附效果；检测矿物表面原子的分布及在矿物之间的相互作用等，使其在浮选和矿物加工等领域取得了许多研究成果。但是AFM对检测矿物的晶体结构、组成元素、化学成像能力以及样品的内部结构等方面有所欠缺，因此，我们在研究方面应积极利用AFM的优势，并结合X射线衍射技术、CLSM、傅里叶变换红外光谱等相结合使用，将会为矿物方面的研究提供新的思路和良好借鉴。综上所述，AFM在生物冶金研究领域具有强大的生命力，在一定程度上将会促进生物浸出技术的发展，提高矿产资源的利用率。