掃描電子顯微鏡在林業(yè)院校實驗教學中的應用

史軍娜 劉美芹

摘 ?要 掃描電子顯微鏡是進行微觀形貌分析的大型貴重儀器，在林業(yè)院校的教學和科研中發(fā)揮著重要作用。闡述掃描電子顯微鏡以及林業(yè)院校顯微實驗教學的特點，重點以北京林業(yè)大學公共分析測試中心掃描電子顯微鏡實驗教學為例，詳細介紹掃描電子顯微鏡在實驗教學中的應用，并對教學效果進行總結和分析。

關鍵詞 掃描電子顯微鏡;林業(yè)院校;實驗教學;大型儀器

中圖分類號：G642.423 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）12-0041-03

Application of Scanning Electron Microscope in Forestry Uni-versity Experimental Teaching//SHI Junna， LIU Meiqin

Abstract Scanning electron microscopy is a large-scale valuable instrument for microscopic morphology analysis， which plays an important role in the teaching and research of forestry colleges. The characteristics of scanning electron microscopy and microscopic experiment teaching in forestry university were described. Taking scanning electron microscope experiment teaching in public analysis

test center of Beijing Forestry University as an example， the applica-

tion of scanning electron microscope in experimental teaching is introduced， and the teaching effect is summarized and analyzed.

Key words scanning electron microscope; forestry university; expe-rimental teaching; large-scale equipment

1 前言

電子顯微技術作為一門現代顯微學科，是人們探測微觀世界的一種新手段。在顯微結構分析的眾多大型精密儀器中，掃描電子顯微鏡在科研服務及實驗教學中發(fā)揮重要作用，是高等院校及科研院所不可或缺的資源[1]。北京林業(yè)大學公共分析測試中心共有兩臺掃描電子顯微鏡，分別是鎢燈絲掃描電鏡（HITACH S-3400N）和場發(fā)射掃描電鏡（HITACH SU8010），主要為全校師生的科研、教學以及對外提供分析測試服務。然而當前學生使用掃描電鏡受到很大限制，原因主要有：

1）多個學科需要借助掃描電鏡開展科研工作，使用人數眾多;

2）掃描電鏡價格昂貴，而且僅有兩臺，數量有限;

3）掃描電鏡操作復雜以及學生上機操作時間有限。

為了提高掃描電鏡的利用率，充分發(fā)揮掃描電鏡在學校的教學、科研和社會服務中的作用，公共分析測試中心顯微室開設了針對多個專業(yè)學科的實驗課程。本文主要結合掃描電鏡及林業(yè)院校顯微實驗教學的特點，探討掃描電鏡在林業(yè)院校實驗教學中的應用及效果。

2 掃描電子顯微鏡的特點

掃描電子顯微鏡的工作原理主要是借助聚焦的電子束轟擊樣品表面，利用轟擊產生的二次電子及背散射電子等觀察分析樣品的表面形貌[2]。掃描電子顯微鏡的優(yōu)勢主要有六個：

1）高分辨率;

2）高放大倍數，倍數連續(xù)可調;

3）景深和視野大，圖像具有立體感;

4）對樣品具有廣泛適應性;

5）樣品制備簡單，能直接觀察大塊樣品和金屬導電樣品，非導電樣品只需鍍上金屬膜或碳膜即可觀察;

6）可以進行多功能分析，配能譜儀、光譜儀和波譜儀等附件的掃描電鏡在觀察形貌的同時，可以進行微區(qū)成分分析[3]。

3 林業(yè)院校顯微實驗教學的特點

以北京林業(yè)大學為例，學校主要以生物學和生態(tài)學為基礎，以林學和風景園林學為特色，多個學科協(xié)調發(fā)展。因此，必須結合林業(yè)院校的專業(yè)特色和研究領域，構建林業(yè)教學體系，開展實驗教學[4-5]。掃描電鏡在林業(yè)院校被廣泛應用于生物、材料、環(huán)境和林學等學科中。

在植物學方面，利用掃描電鏡觀察葉片、花芽和花粉等組織器官，解決形態(tài)解剖及分類問題，研究基因工程對植物形態(tài)的影響及不良環(huán)境對植物的損傷等。

在昆蟲學研究方面，利用掃描電鏡觀察昆蟲的感受器、消化系統(tǒng)、幼蟲等，研究形態(tài)與功能的關系，解決分類問題。

在植物病理學方面，利用掃描電鏡觀察病原菌形態(tài)以及對寄主的浸染過程，觀察真菌孢子的萌發(fā)、菌絲生長、附著孢的形成，研究寄主植物與病原菌的相互作用等。

在木材學研究領域，掃描電子顯微鏡主要在以下方面廣泛應用：

1）借助掃描電鏡研究木材物理、化學、力學及解剖學方面的性質，為改良樹種及改性木材提供科學依據;

2）借助掃描電鏡觀察木材和木材單板超微結構，對木質材料的表面劣化進行研究，探尋有效的防護處理方法;

3）利用掃描電鏡觀察木纖維聚合板的斷面和結合面、復合材料人造板的界面及人造板中纖維或刨花在加工過程中的變化，為改進人造板加工工藝提供科學依據。

在環(huán)境科學方面，利用掃描電鏡觀察大氣污染顆粒物的大小、形貌以及利用掃描電鏡能譜儀解析顆粒物的元素組成。通過掃描電鏡觀察人工合成的正滲透平板膜、中空纖維膜、反滲透膜等膜材料的表面粗糙度、厚度、斷面特征、孔徑大小，研究膜材料在使用前后的污染程度。研究環(huán)境功能材料（如VOC吸附劑、VOC催化劑、高級氧化催化劑、CO2吸附劑、氮氧化物存儲及催化材料、重金屬離子吸附劑、還原劑）、干燥污泥和菌群等物質的形貌特征，通過研究環(huán)境功能材料的形貌、粒徑變化，推測材料形貌的生長機理及涉及的反應機理。將掃描電鏡與能譜儀聯(lián)合，研究環(huán)境功能材料的元素組分、含量及分布情況等。

在食品科學方面，觀察各種淀粉顆粒與食用纖維、各種加工前后的食品與奶制品中的顆粒成分等，幫助提高產品質量，優(yōu)化加工工藝。此外，掃描電鏡還廣泛應用于食品保存、食品微生物、食品病原體等研究領域。

在土壤學方面，觀察多種土壤的抗壓強度、孔隙結構和粒徑大小等;觀察經過化學物質處理的土壤粒徑大小和粒徑結合狀態(tài);利用掃描電鏡結合能譜儀觀察重金屬污染的土壤的微觀結構及進行微區(qū)元素分析。

由于掃描電鏡在上面列舉的林業(yè)院校多個學科領域的廣泛應用，涉及的樣品種類、制備方法及操作技術繁多，必須在實驗教學中針對林業(yè)院校相關專業(yè)特色的研究對象采用相應的樣品制備技術和上機操作技術[6-7]。此外，林業(yè)院校的生物、材料、環(huán)境和林學等都是實踐性很強的專業(yè)，學生必須具備較強的動手能力和科研能力，能夠操作掃描電鏡正是這些專業(yè)開展科研工作的基礎。

4 掃描電子顯微鏡在林業(yè)院校實驗教學中的應用

掃描電鏡實驗教學主要包括理論和實驗兩部分。理論部分主要包括掃描電鏡簡介、結構功能、工作原理、性能參數、樣品制備及微區(qū)分析等理論知識的講解。實驗部分主要注重培養(yǎng)學生的動手能力和實驗設計能力。學生必須嚴格按照掃描電鏡生物樣品的制備流程操作，然后將制備好的樣品放入儀器，上機操作。在教學過程中，首先需要對掃描電鏡的基礎知識、工作原理和結構、樣品的制備技術以及專業(yè)術語等利用多媒體技術進行詳細講解，加強學生的理論知識儲備，為后面的實驗操作打下堅實的基礎[8]。

實驗操作首先就是讓學生學會如何制備樣品，能夠針對樣品的特點，選擇相應的制備方法。林業(yè)院校主要是一些生物類樣品，常規(guī)的樣品制備流程主要包括樣品的清潔、固定、脫水、干燥、粘樣和噴鍍。實驗課上提供多種生物樣品，學生也可以自備樣品。根據不同樣品的特點，在常規(guī)生物樣品制備的基礎上調整實驗方法，如固定液、脫水劑的選擇，固定、脫水時間以及干燥方法的選擇等。

其次，先將儀器的硬件、軟件以及操作流程和注意事項等向學生詳細講述，再進行上機演示。學生必須根據樣品的特點調節(jié)儀器的拍照參數，直到能夠拍出滿意的圖像為止，教師在場全程陪同，對學生不明白的地方進行指導，一旦發(fā)現不規(guī)范的操作及時指出并給予糾正。

最后，對學生上機操作進行現場考核。為保證每個學生都有動手操作的機會，將實驗課的學生分成3～4人一組，在樣品制備及上機部分要求學生必須親自動手操作。

為了鞏固學習效果以及培養(yǎng)學生設計實驗和動手的能力，為后面的科研打下堅實的基礎，除上機考核外還采取以下考核辦法：

1）寫實驗報告，要求詳細記錄實驗過程和實驗結果，并能對實驗結果進行分析;

2）在對儀器的原理和結構了解的基礎上，結合以后的研究方向查閱相關文獻，寫一篇如何利用掃描電鏡在相關研究領域開展工作的綜述。

5 掃描電子顯微鏡應用在林業(yè)院校實驗教學中的效果

通過開展掃描電鏡的實驗教學，學生對掃描電鏡的結構功能、工作原理和用途等有了深刻理解，實驗動手及上機操作能力明顯提高。以掃描電鏡為代表，對大型儀器有了更深入了解，在課程學習中逐漸形成自己的科研思路，將大型儀器應用到以后的科研工作中。教學效果體現在多個方面。

專業(yè)技能得到提高 ?課程注重培養(yǎng)學生的動手能力，使學生在了解掃描電鏡結構和原理的基礎上，能夠獨立操作儀器。

實踐能力得到提高 ?隨著越來越多的單位購置大型儀器，就業(yè)市場上能夠操作大型儀器的畢業(yè)生就會具有更多的就業(yè)機會。大型儀器因為價格昂貴、操作較復雜等，學生上機操作的機會并不多。通過這門課程的學習，學生掌握一門大型儀器的操作技能，在就業(yè)競爭中更有優(yōu)勢。

科研興趣和思路得到培養(yǎng) ?掃描電鏡是一種先進的微觀形貌表征方法和測量手段，得到的圖像直觀、豐富、立體感強。在實驗教學中，將花粉、動物毛發(fā)、昆蟲復眼、多種紙張等日常能夠接觸到的材料作為實驗樣品上機觀察，這些有趣的微觀形貌極大地增強了學生的興趣。同時，鼓勵學生根據專業(yè)特點和研究方向自主設計實驗、自備樣品上機操作，在這個過程中，學生的科研思路得以鍛煉。

掃描電鏡的使用效率大大提高 ?由于選課學生較多，這些通過考核的學生在后期預約使用儀器時可以直接上機操作，減少了多次培訓占用的時間。而且，這些學生可以在非工作時間上機操作儀器，極大地提高了儀器的使用效率。

6 結語

掃描電子顯微鏡是現代科研和教學中不可缺少的工具和手段。以掃描電子顯微鏡為硬件基礎，以實驗教學為核心，兼顧科研和社會服務，在林業(yè)院校實驗教學中引入掃描電子顯微鏡實驗教學，讓教學和科研理論與實踐有效結合，激發(fā)學生的學習興趣，提高儀器使用效率，更好地為教學和科研服務。

參考文獻

[1]梁國弘，靳鳳民，鄒少蘭，等.高校電子顯微鏡的培訓教學與開放管理的探討[J].廣州化工，2018，46（13）：133-135.

[2]郭素枝.掃描電鏡技術及其應用[M].廈門：廈門大學出版社，2006.

[3]張大同.掃描電鏡與能譜儀分析技術[M].廣州：華南理工大學出版社，2009.

[4]溫慧穎，等.以林業(yè)院校為視角進行創(chuàng)新型綠色包裝人才培養(yǎng)的研究[J].森林工程，2014，30（2）：189-191.

[5]陳曉陽.21世紀林業(yè)專業(yè)本科人才的培養(yǎng)[J].中國林業(yè)教育，1999（4）：22-24.

[6]胡春輝，徐青，孫璇，等.幾種典型掃描電鏡生物樣本制備[J].湖北農業(yè)科學，2016，55（20）：5389-5392，5402.

[7]謝家儀，董光軍，劉振英.掃描電鏡的微生物樣品制備方法[J].電子顯微學報，2005，24（4）：440.

[8]李明芳，王曉崗，許新華.透射電子顯微鏡在本科開放實驗教學中的應用[J].實驗室科學，2013，16（5）：133-135，139.