透射電子顯微鏡在實驗教學研究中的應用

秦倩倩,孫發哲,寧艷康

(1.山東理工大學 分析測試中心，山東 淄博 255000;2.山東理工大學 材料科學與工程學院，山東 淄博 255000；3.山東理工大學 物理與光電工程學院，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、高分辨率的電子光學儀器，它以波長極短的電子束作為照明源，利用電磁透鏡對圖像進行聚焦。高能電子束照射樣品時，由于樣品的原子序數、厚度、晶體結構的差異，電子和樣品中的原子碰撞產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構分析儀器設備之一，但因其操作復雜、樣品制備要求高、維修費用昂貴等問題，學生對其知之甚少。本文通過介紹透射電鏡在材料科學、生物學、醫學和食品科學等實驗教學研究中的應用，激發學生對透射電鏡的興趣，加深對透射電鏡的認識，以便于學生更好地利用透射電鏡開展研究工作。

1 應用

1.1 透射電鏡在材料科學實驗教學研究中的應用

透射電鏡具有分辨率高的特點，廣泛應用于高分子材料、金屬材料和無機非金屬材料等領域。透射電鏡常用來觀察材料形貌特征，并可以結合電子衍射和能譜來分析材料的微觀結構和成分。徐雨晴[1]利用透射電鏡觀察高熵合金的微觀組織結構，利用衍射花樣確定其晶格常數，利用能譜掃描確定其化學成分，并闡釋了微觀結構與宏觀力學性能之間的關系。需要注意的是，透射電子顯微鏡的電子束容易對有些材料產生輻照損傷。例如：Cs2AgBiBr6作為一種新型的無機無鉛雙鈣鈦礦材料，在透射電鏡下觀察時，極易受到電子束輻照破壞，馮遠皓等人[2]為Cs2AgBiBr6材料的透射電鏡研究提供了電子束輻照的相對安全劑量。此外，樣品制備技術在一定程度上影響著透射電鏡在材料研究中的應用。鎂作為一種活潑金屬，易與水發生反應而引起本身的結構和性質的變化，楊慧等人[3]利用超薄切片技術制備鎂及其合金，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驗室構建。徐開兵等人[4]為研究單根鏈狀NiCo2O4納米線的微結構和電學性能之間的關系，在透射電鏡內將單根鏈狀NiCo2O4納米線連接在兩電極之間并施加一定時間的電壓后，發現NiCo2O4由鏈狀結構逐漸向單晶完整納米線結構轉變。

1.2 透射電鏡在生物學實驗教學研究中的應用

在生物學的實驗教學中，透射電鏡是觀察植物超微形態的重要手段。學生通過透射電鏡，能夠直觀地觀察植物細胞的細胞膜、細胞壁、溶酶體、線粒體、葉綠體、細胞骨架、高爾基體、細胞質內含物等超微結構，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”的細胞核、細胞質、葉綠體、高爾基體、線粒體等亞細胞結構，發現葉綠體合成受阻影響了“中黃2號”的黃化。黃瓜綠斑駁花病毒是造成西瓜果實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技術結合，利用電鏡觀察病株汁液內病毒粒子，并將桿狀病毒聚集體與煙草花葉病毒屬的形態結構特征進行對比，實現了對西瓜病葉進行快速病原檢測。透射電鏡也是納米生物學實驗研究中必不可少的大型儀器。在細胞內吞納米金顆粒的實驗課題設計[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胞內的分布，可以清晰地觀察到納米金顆粒進入細胞后聚集在單層膜的吞噬體內的過程，以此證明納米金顆粒是以內吞的方式進入細胞，集中分布在胞內指定區域，并不影響其他細胞器的形態結構。此外，透射電鏡還可應用于病原體等超微結構的觀察。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，并對其進行鑒定和分類。透射電鏡也并非是全能，畢竟，術業有專攻，它可以和掃描電鏡或共聚焦顯微鏡結合[10]，進一步拓寬其在生物實驗教學研究中的應用。

1.3 透射電鏡在醫學實驗教學研究中的應用

醫學領域的發展離不開電子顯微鏡，透射電鏡可用于觀察組織細胞的超微結構，能夠為臨床醫學的診斷與研究提供重要依據。例如，為了解吸蟲超微結構及功能，石云良等人[11]通過透射電鏡對大片吸蟲的體被組織結構進行觀察，發現大片吸蟲成蟲的免疫逃避及營養吸收可能與其體被組織結構有關。常志尚等人[12]運用透射電鏡技術連接并分析糖尿病小鼠腸上皮細胞，觀察小鼠腸上皮細胞連接病理學形態改變及過程。透射電鏡也可觀察到納米級基因，侯欣欣等人[13]利用透射電鏡對載基因磁性納米球進行觀察，發現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，在醫學實驗教學研究中，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實現對樣品的冷卻，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。

1.4 透射電鏡在食品科學實驗教學研究中的應用

透射電鏡在食品科學中也有著十分廣泛的應用。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，發現該噬菌體屬于長尾噬菌體科，同時，對金黃色噬菌體生長特性進行觀察，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中有著重要應用[15]，在最好的時間采摘果蔬不僅會保留最佳的色香味，還會延長存儲時間。為確定不同果蔬的采摘時間，可采用透射電鏡觀察果蔬不同時期的超微結構來判斷其成熟程度。例如，通過電鏡觀察蟠桃果實[16]，在發育初期，果肉細胞結構完整且排列整齊，細胞壁的厚度平均；在發育后期，果肉細胞增大，但很難再觀察到完整的葉綠體和線粒體，細胞壁出現明-暗-明結構，這說明果實完全成熟，以此來掌握最佳采摘時間，增加果實的耐貯性。通過觀察對比在不同條件下細胞的超微結構來判斷果蔬的最佳貯藏條件。透射電鏡觀察超微結構可以判斷細胞活性等方面問題，因此也可用于研究保鮮劑的保鮮效果[17]。

2 總結

透射電子顯微鏡為我們打開了通往微觀世界的大門，能夠使學生對專業基礎知識得到更好的理解與應用。而今，透射電鏡不再只局限于材料的結構表征，而且還可用于晶體結構的原位觀察、納米加工和微觀實驗室的構建。隨著實驗教學的改革和人才培養的需要，透射電子顯微鏡在實驗教學研究中的應用將會日益廣泛。