原子力显微镜是如何用于食品质量评估的？

原子力显微镜利用锋利的尖端和样品之间的分子间相互作用来记录具有令人难以置信的高空间分辨率的图像。利用现代原子力显微镜，现在可以获得<1纳米的空间分辨率，这意味着有可能解决单分子和甚至材料中最小的原子级表面缺陷。

原子力显微镜可以使用不同的扫描模式，但这些模式通常依赖于相同的一般原理。原子力显微镜的针尖半径通常在10纳米左右，针尖的 "光滑度 "对于获得高质量的图像至关重要。

针尖被安装在一个悬臂上。当针尖在基底表面上移动时，针尖中的原子和表面之间的相互作用要么吸引要么排斥针尖，导致悬臂弯曲。通过测量悬臂的偏转（通常通过激光干涉仪来完成），基底的表面可以被映射并重建为一个图像。

原子力显微镜的用途是什么？
原子力显微镜可以实现非常高的空间分辨率，这意味着原子力显微镜已经成为材料科学中开发和表征工作的主要技术。在纳米级应用中，设备的性能取决于纳米级的特征，原子力显微镜是少数具有足够空间分辨率的成像技术之一。

原子力显微镜也被用于软物质的成像，包括测量蛋白质、聚合物和溶液-溶质界面。3 原子力显微镜在软物质和测量液体环境中的样品方面的许多技术发展，也有利于将该方法应用于食品科学。  

原子力显微镜如何用于测量食品质量？
确定食品质量可能是一项具有挑战性的任务。对食品质量的全面分析需要考虑食品的化学成分和任何病原体的存在，以及产品的表面纹理。5 原子力显微镜可以解决许多这些挑战，因为其出色的空间分辨率意味着诸如细菌等物种可以被检测到，并且食品纹理的局部不均匀性可以被可视化。

原子力显微镜在食品质量方面的一个应用实例是研究在有或没有特定蛋白质或聚合物的情况下液滴与液滴之间的相互作用。

液滴之间的相互作用决定了乳剂中的许多物理特性，最终决定了产品的最终口感和质地。了解如何操纵这些相互作用对食品设计和质量控制至关重要，以确保最终产品具有理想的质地。

原子力显微镜用于食品质量分析的优势
与其他显微镜方法相比，原子力显微镜的主要优势是增强了空间分辨率，但是对于食品质量分析来说，样品能够在各种状态下进行测量也是至关重要的。

随着原子力显微镜的发展，有可能在大气、液体甚至低温条件下测量食品样品。

与许多光学显微镜方法相比，原子力显微镜的一个优势是，虽然仍然需要一些样品制备，但原子力显微镜是一种无标签技术，因此可以在 "原始 "条件下监测样品。

用原子力显微镜进行食品质量分析的一个主要发展是原位原子力显微镜的发展。通过显微镜的小型化，现在有可能创造出便携式原子力显微镜，可用于实验室环境之外的过程的实时监测。

原位原子力显微镜已被用于监测动态演变的过程，如膜介导的蛋白质-蛋白质相互作用，因为原子力显微镜的图像可以被快速捕获，以可视化相关生物分子的运动。

对于食品科学和质量分析，原子力显微镜仍未成为一种常规分析技术，但监测生物大分子之间如何发生聚集和聚类的能力对食品质量控制至关重要。  

使用原子力显微镜进行食品质量评估的重要性
在食品科学中使用原子力显微镜进行食品质量评估的两个关键领域是加工和保存技术。控制食品中的蛋白质和聚合物结构是开发过程中的一个重要部分，温度和pH值等条件将被改变以达到最佳条件。

原子力显微镜可以审视诸如加热等过程如何改变蛋白质的纳米级结构，以检查是否有不需要的降解或副反应。这种类型的分析对于检查食品的营养成分和存在哪些类型的化学物种也是至关重要的。

除了对生物大分子进行单独成像外，原子力显微镜还可以用来对形成的较大的聚合体和纳米结构进行成像。虽然像明胶这样的化合物具有更复杂的结构，从球形到棒状和纤维状的聚集体，所有这些都可以用原子力显微镜成像，同时检索信息，如添加盐和糖等防腐剂如何改变形成的结构。

总的来说，原子力显微镜图像包含了关于食品中纳米结构的丰富信息，可用于详细分析以确定食品质量。

随着商业原子力显微镜和更小、更便宜的仪器的进一步普及，原子力显微镜在食品质量分析中可能会变得更加普遍。

References and Further Reading

1. Miller, E. J., Trewby, W., Payam, A. F., Piantanida, L., Cafolla, C., & Voïtchovsky, K. (2016). Sub-nanometer Resolution Imaging with Amplitude-modulation Atomic Force Microscopy in Liquid. 1–10. https://doi.org/10.3791/54924
2. Klimov, V. (2014). Nanoplasmonics. CRC press. https://doi.org/10.1201/b15442
3. Garcia, R., & Proksch, R. (2013). Nanomechanical mapping of soft matter by bimodal force microscopy. European Polymer Journal, 49(8), 1897–1906. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2013.03.037
4. Yang, H., Wang, Y., Lai, S., An, H., Li, Y., & Chen, F. (2007). Application of Atomic Force Microscopy as a Nanotechnology Tool in Food Science. Journal of Food Science, 72(4), 65–75. https://doi.org/10.1111/j.1750-3841.2007.00346.x
5. Gunning, A. P., & Morris, V. J. (2018). Getting the feel of food structure with atomic force microscopy. Food Hydrocolloids, 78, 62–76. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2017.05.017
6. Taylor, S. (Ed.). (2003). Advances in Food and Nutrition Research: Cumulative Index: Volumes 1-45 (Vol. 46). Gulf Professional Publishing. https://www.elsevier.com/books/advances-in-food-and-nutrition-research/taylor/978-0-12-385989-1
7. Ding, M., Shi, C., & Zhong, J. (2019). Atomic force microscopy for food quality evaluation. In Evaluation Technologies for Food Quality. Elsevier Inc. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814217-2.00028-7
8. Casuso, I., Sens, P., Rico, F., & Scheuring, S. (2010). Experimental Evidence for Membrane-Mediated Protein-Protein Interaction. Biophysj, 99(7), L47–L49. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2010.07.028
9. Nwachukwu, I. D., & Aluko, R. E. (2021). Food Protein Structures, Functionality and Product Development. The Royal Society of Chemistry. https:// doi:10.1039/9781839163425-00001

Written by

Rebecca Ingle, Ph.D