扫描电子显微镜在生物学本科实验教学中的应用

王艳萍,冯 颖,何晓燕,肖 智,刘丽娟,夏广清,宫汝淳

(1.通化师范学院 生物系,吉林 通化 134002;2.北京林业大学,北京 100083)

1 引言

扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope)简称SEM，是一个能够对固体样品进行形貌观察和分析的复杂系统，它浓缩了电子光学技术、真空技术、精细机械结构以及现代计算机控制技术等.扫描电镜利用聚焦非常细的高能电子束在试样上进行扫描，激发出各种物理信息，通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得试样表面形貌、成分和结构的信息[1].自从1965年第一台商用扫描电镜问世以来[2]，它不仅应用于植物学、动物学、医学、微生物学、古生物学、考古学、材料学、化学、物理学、电子学、地质矿物学、食品科学等领域的研究，而且还广泛地应用于半导体工业、陶瓷工业、化学工业、石油工业等生产部门[3].

扫描电镜是一种大型的精密仪器，由于其具备分辨率高、放大倍数变化范围宽、景深大、立体感强、样品制备简单等特点，为微观世界的探测提供了一种新的研究手段.由于设备本身比较精贵，运营成本很高，实验操作和维护比较复杂，对于高校来说，往往只由专门的实验教师管理，用于高校教师以及研究生科研课题研究，很少用于本科教学.我院于2006年利用日元贷款购买了一台“日本日立S-3000N型扫描电子显微镜”，以及配套设备日本日立HCP-2型二氧化碳临界点干燥仪、北京中科SBC-2型多功能表面处理机.为了开拓学生的视野和提高学生的科研实践能力，我们重新设置了“显微镜应用技术”课程的教学内容，增加了电子显微技术等相关知识，介绍了SEM运用的理论和实践，增设了实验课程,提高学生探索超微世界的能力.

2 实验课程的实施

2.1 实验课程的可行性

光学显微镜是生物学实验教学的常用仪器，是学生探索微观世界的基础工具，无论是观察动植物器官立体结构的实体显微镜还是分析人体组织细胞形态的系统显微镜，其分辨率仅为0.2μm左右，无法观察到超微细节.而SEM的分辨率约为3nm，观察结构立体感强、细节清晰、样品制备简单，为实验课程的开设提供了可行性.

2.2 教学时间及内容分配

显微镜应用技术课程是生物系“生物科学和生物技术专业”选修课程，已有近10余年的教学历程，主要讲授光学显微技术.2006年SEM安装使用以后，课程设置为36学时，理论和实验课程学时各半，其中SEM实验课共设6学时，分两次(2学时，4学时)讲授.采取分小组实验的授课模式，每小组8～10人左右，考虑到长白山地区的气候环境和动植物材料的选取，本门课程安排在每年的春季学期，表1是SEM实验内容安排的具体情况.

2.3 教学结果分析

通过课程实践发现，电子显微技术内容涉及电学、光学、化学等多门学科，学生没有学习系统的理论知识之前很难理解实验的原理和过程.为此，我们的理论课开设在实验课之前，教师运用了多媒体技术，结合仪器视频、动画和几千张图片等[4]，将专业知识内容形象的展现在学生面前，加强了学生的理论知识储备，为实验课的进行打下坚实的基础.理论课程详细的介绍了SEM的发展史、工作原理、样品制备技术，以及常用SEM名词术语(分辨率、放大倍率、象散、工作距离、景深)等，因此，在实验过程中教师仅需要简单复习，具体过程和时间安排见表1.另外，两个实验的授课次序不同对教学效果有明显影响，实验一主要是上机观察，可以直观与仪器面对面；实验二为样品制备，内容丰富.教学后调查显示学生对于上机观察的兴趣更加浓厚，先开设实验一可以满足学生的好奇心，调动学生的积极性，这样，在样品制备环节中往往学生会更乐于主动参与.其次，在教师演示并讲解SEM观察过程时，注重了与学生的交流互动[5].例如：选取实验的观察样品，我们经常使用现场选取的学生头发或学生自己带来的实验材料，这样极大的调动了学生的积极性和主动性，提高了学生参与科学研究的兴趣.图1显示的是雄性果蝇的生殖器官——性梳，在光学显微镜下我们只能观察到一个黑色的斑点，但在SEM低真空模式下学生可以清楚的数出“梳子齿”的数目.图2是学生头发的SEM低真空模式图片，这类试样与学生自身密切相关，我们把科学研究和学生自身联系起来，学生感到非常兴奋，课堂气氛极为活跃.大型仪器往往由于运营成本较高而没有用于本科实验教学，经过教学实践，应用SEM低真空模式观察背散射电子像，不需要对试样进行固定脱水等处理，取材后可直接观察，既缩减了实验步骤、节省了实验时间，又减少了实验经费的支出，取得了良好的教学效果.图3和图4则是应用高真空模式拍摄的二次电子图片，这种模式的分辨率较高，图片清晰度好，上机观察、获取图片的操作简单，容易被大多数同学快速掌握，但是，试样的制备过程相对复杂，使用到了多种化学试剂和SEM配套仪器，这要求学生在实验二过程中熟练掌握实验步骤和合理安排时间.

3 讨论

扫描电镜作为大型精密仪器与生物学实验教学结合起来，辅助本科实验教学，极大的提高了实验教学质量.我们利用和发展了仪器多种实验模式，尽量采用低耗时和低成本的方法，把科学研究和教学实践统一，理论联系实践，在教学过程中总结出以下经验：(1)课程开设在春季学期，学生可得到充分的实验材料，并且可以整合实验项目，把本科毕业论文设计实验应用于其他年级的实验教学，节省经费损耗；(2)课程分小组授课，每8～10人一组，各小组可以直接参与教师的科研工作，拓宽学生的科研思路；(3)课程支持和辅助大学生科研立项的实验工作，把教学和科研在实验课堂上高效统一.

表1 显微镜应用技术课程(SEM实验内容)教学安排表

图版说明:BSE2(背散射电子像);SE(二次电子像);工作距离(WD):10.5～12.6mm;电压:15.0kv;放大倍率:x800～2000.1.示雄果蝇性梳,箭头指向为刚毛,1bar=50μm;2.示人发,箭头指向为层叠的毛鳞片,1bar=50μm;3.示长白松的花粉,箭头指向为气囊,1bar=20μm;4.示紫椴叶片下表皮气孔器,箭头指向为气孔器,1bar=50μm.

参考文献:

[1]张寿禄.应用扫描电镜中背散射电子成像技术研究钢中复合夹杂物[J].太钢技术,2006(1):24-28.

[2]付洪兰.实用电子显微镜技术[M].北京:高等教育出版社,2004.

[3]郭素枝.扫描电镜技术及其应用[M].厦门:厦门大学出版社,2006.

[4]汪克建.多媒体在电镜实习课教学改革中的应用[J].山西医科大学学报,2007,9(2):214-215.

[5]王能为.扫描电镜及能谱仪在本科比较性实验教学初探[J].攀枝花学院学报,2009,26(3):1-4.

[6]王艳萍.长白山区紫椴花粉的形态研析[J].通化师范学院学报,2009,30(8):43-44.