透射電子顯微鏡在實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究中的應(yīng)用

秦倩倩,孫發(fā)哲,寧艷康

(1.山東理工大學(xué) 分析測(cè)試中心，山東 淄博 255000;2.山東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 淄博 255000；3.山東理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

透射電子顯微鏡，簡稱透射電鏡，是一種高放大倍數(shù)、高分辨率的電子光學(xué)儀器，它以波長極短的電子束作為照明源，利用電磁透鏡對(duì)圖像進(jìn)行聚焦。高能電子束照射樣品時(shí)，由于樣品的原子序數(shù)、厚度、晶體結(jié)構(gòu)的差異，電子和樣品中的原子碰撞產(chǎn)生不同的圖樣或圖像襯度，以此可以得出樣品信息。

透射電鏡是使用頻率較高的微觀結(jié)構(gòu)分析儀器設(shè)備之一，但因其操作復(fù)雜、樣品制備要求高、維修費(fèi)用昂貴等問題，學(xué)生對(duì)其知之甚少。本文通過介紹透射電鏡在材料科學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和食品科學(xué)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究中的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生對(duì)透射電鏡的興趣，加深對(duì)透射電鏡的認(rèn)識(shí)，以便于學(xué)生更好地利用透射電鏡開展研究工作。

1 應(yīng)用

1.1 透射電鏡在材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究中的應(yīng)用

透射電鏡具有分辨率高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高分子材料、金屬材料和無機(jī)非金屬材料等領(lǐng)域。透射電鏡常用來觀察材料形貌特征，并可以結(jié)合電子衍射和能譜來分析材料的微觀結(jié)構(gòu)和成分。徐雨晴[1]利用透射電鏡觀察高熵合金的微觀組織結(jié)構(gòu)，利用衍射花樣確定其晶格常數(shù)，利用能譜掃描確定其化學(xué)成分，并闡釋了微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能之間的關(guān)系。需要注意的是，透射電子顯微鏡的電子束容易對(duì)有些材料產(chǎn)生輻照損傷。例如：Cs2AgBiBr6作為一種新型的無機(jī)無鉛雙鈣鈦礦材料，在透射電鏡下觀察時(shí)，極易受到電子束輻照破壞，馮遠(yuǎn)皓等人[2]為Cs2AgBiBr6材料的透射電鏡研究提供了電子束輻照的相對(duì)安全劑量。此外，樣品制備技術(shù)在一定程度上影響著透射電鏡在材料研究中的應(yīng)用。鎂作為一種活潑金屬，易與水發(fā)生反應(yīng)而引起本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化，楊慧等人[3]利用超薄切片技術(shù)制備鎂及其合金，有效解決了上述問題。近年來，透射電鏡不僅是材料表征的工具，而且可以用于材料的微觀實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建。徐開兵等人[4]為研究單根鏈狀NiCo2O4納米線的微結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能之間的關(guān)系，在透射電鏡內(nèi)將單根鏈狀NiCo2O4納米線連接在兩電極之間并施加一定時(shí)間的電壓后，發(fā)現(xiàn)NiCo2O4由鏈狀結(jié)構(gòu)逐漸向單晶完整納米線結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

1.2 透射電鏡在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究中的應(yīng)用

在生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，透射電鏡是觀察植物超微形態(tài)的重要手段。學(xué)生通過透射電鏡，能夠直觀地觀察植物細(xì)胞的細(xì)胞膜、細(xì)胞壁、溶酶體、線粒體、葉綠體、細(xì)胞骨架、高爾基體、細(xì)胞質(zhì)內(nèi)含物等超微結(jié)構(gòu)，從而更好地理解植物的生理代謝過程[5]。例如，韋康等人[6]利用透射電鏡觀察了黃茶“中黃2號(hào)”的細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、葉綠體、高爾基體、線粒體等亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)葉綠體合成受阻影響了“中黃2號(hào)”的黃化。黃瓜綠斑駁花病毒是造成西瓜果實(shí)腐爛的重要危害之一，宋西嬌等人[7]將透射電鏡和單抗dot-ELISA技術(shù)結(jié)合，利用電鏡觀察病株汁液內(nèi)病毒粒子，并將桿狀病毒聚集體與煙草花葉病毒屬的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了對(duì)西瓜病葉進(jìn)行快速病原檢測(cè)。透射電鏡也是納米生物學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中必不可少的大型儀器。在細(xì)胞內(nèi)吞納米金顆粒的實(shí)驗(yàn)課題設(shè)計(jì)[8]中，崇羽等人利用透射電鏡觀察納米金顆粒形貌及其在細(xì)胞內(nèi)的分布，可以清晰地觀察到納米金顆粒進(jìn)入細(xì)胞后聚集在單層膜的吞噬體內(nèi)的過程，以此證明納米金顆粒是以內(nèi)吞的方式進(jìn)入細(xì)胞，集中分布在胞內(nèi)指定區(qū)域，并不影響其他細(xì)胞器的形態(tài)結(jié)構(gòu)。此外，透射電鏡還可應(yīng)用于病原體等超微結(jié)構(gòu)的觀察。喬歡等人[9]利用透射電鏡觀察AHPND致病型副溶血性弧菌烈性噬菌體，并對(duì)其進(jìn)行鑒定和分類。透射電鏡也并非是全能，畢竟，術(shù)業(yè)有專攻，它可以和掃描電鏡或共聚焦顯微鏡結(jié)合[10]，進(jìn)一步拓寬其在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究中的應(yīng)用。

1.3 透射電鏡在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究中的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展離不開電子顯微鏡，透射電鏡可用于觀察組織細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)榕R床醫(yī)學(xué)的診斷與研究提供重要依據(jù)。例如，為了解吸蟲超微結(jié)構(gòu)及功能，石云良等人[11]通過透射電鏡對(duì)大片吸蟲的體被組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)大片吸蟲成蟲的免疫逃避及營養(yǎng)吸收可能與其體被組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。常志尚等人[12]運(yùn)用透射電鏡技術(shù)連接并分析糖尿病小鼠腸上皮細(xì)胞，觀察小鼠腸上皮細(xì)胞連接病理學(xué)形態(tài)改變及過程。透射電鏡也可觀察到納米級(jí)基因，侯欣欣等人[13]利用透射電鏡對(duì)載基因磁性納米球進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)電子密度較低的白蛋白納米球包裹了電子密度較高的磁性納米粒。此外，在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究中，有的樣品是不耐電子束輻照的，在透射電鏡上加裝冷凍樣品臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的冷卻，可有效減少樣品電子束因電子束輻照而引起的損傷，從而觀察到的樣品形貌更為真實(shí)。

1.4 透射電鏡在食品科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究中的應(yīng)用

透射電鏡在食品科學(xué)中也有著十分廣泛的應(yīng)用。蔡天舒等人[14]利用透射電鏡觀察了金黃色葡萄球菌噬菌體的形狀特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)該噬菌體屬于長尾噬菌體科，同時(shí)，對(duì)金黃色噬菌體生長特性進(jìn)行觀察，證明了該噬菌體能有效抑制牛奶中金黃色葡萄球菌的生長。透射電鏡也在果蔬保鮮業(yè)中有著重要應(yīng)用[15]，在最好的時(shí)間采摘果蔬不僅會(huì)保留最佳的色香味，還會(huì)延長存儲(chǔ)時(shí)間。為確定不同果蔬的采摘時(shí)間，可采用透射電鏡觀察果蔬不同時(shí)期的超微結(jié)構(gòu)來判斷其成熟程度。例如，通過電鏡觀察蟠桃果實(shí)[16]，在發(fā)育初期，果肉細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整且排列整齊，細(xì)胞壁的厚度平均；在發(fā)育后期，果肉細(xì)胞增大，但很難再觀察到完整的葉綠體和線粒體，細(xì)胞壁出現(xiàn)明-暗-明結(jié)構(gòu)，這說明果實(shí)完全成熟，以此來掌握最佳采摘時(shí)間，增加果實(shí)的耐貯性。通過觀察對(duì)比在不同條件下細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)來判斷果蔬的最佳貯藏條件。透射電鏡觀察超微結(jié)構(gòu)可以判斷細(xì)胞活性等方面問題，因此也可用于研究保鮮劑的保鮮效果[17]。

2 總結(jié)

透射電子顯微鏡為我們打開了通往微觀世界的大門，能夠使學(xué)生對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)得到更好的理解與應(yīng)用。而今，透射電鏡不再只局限于材料的結(jié)構(gòu)表征，而且還可用于晶體結(jié)構(gòu)的原位觀察、納米加工和微觀實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建。隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和人才培養(yǎng)的需要，透射電子顯微鏡在實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究中的應(yīng)用將會(huì)日益廣泛。