透射电子显微镜在实验教学研究中的应用

秦倩倩,孙发哲,宁艳康

(1.山东理工大学 分析测试中心，山东 淄博 255000;2.山东理工大学 材料科学与工程学院，山东 淄博 255000；3.山东理工大学 物理与光电工程学院，山东 淄博 255000)

透射电子显微镜，简称透射电镜，是一种高放大倍数、高分辨率的电子光学仪器，它以波长极短的电子束作为照明源，利用电磁透镜对图像进行聚焦。高能电子束照射样品时，由于样品的原子序数、厚度、晶体结构的差异，电子和样品中的原子碰撞产生不同的图样或图像衬度，以此可以得出样品信息。

透射电镜是使用频率较高的微观结构分析仪器设备之一，但因其操作复杂、样品制备要求高、维修费用昂贵等问题，学生对其知之甚少。本文通过介绍透射电镜在材料科学、生物学、医学和食品科学等实验教学研究中的应用，激发学生对透射电镜的兴趣，加深对透射电镜的认识，以便于学生更好地利用透射电镜开展研究工作。

1 应用

1.1 透射电镜在材料科学实验教学研究中的应用

透射电镜具有分辨率高的特点，广泛应用于高分子材料、金属材料和无机非金属材料等领域。透射电镜常用来观察材料形貌特征，并可以结合电子衍射和能谱来分析材料的微观结构和成分。徐雨晴[1]利用透射电镜观察高熵合金的微观组织结构，利用衍射花样确定其晶格常数，利用能谱扫描确定其化学成分，并阐释了微观结构与宏观力学性能之间的关系。需要注意的是，透射电子显微镜的电子束容易对有些材料产生辐照损伤。例如：Cs2AgBiBr6作为一种新型的无机无铅双钙钛矿材料，在透射电镜下观察时，极易受到电子束辐照破坏，冯远皓等人[2]为Cs2AgBiBr6材料的透射电镜研究提供了电子束辐照的相对安全剂量。此外，样品制备技术在一定程度上影响着透射电镜在材料研究中的应用。镁作为一种活泼金属，易与水发生反应而引起本身的结构和性质的变化，杨慧等人[3]利用超薄切片技术制备镁及其合金，有效解决了上述问题。近年来，透射电镜不仅是材料表征的工具，而且可以用于材料的微观实验室构建。徐开兵等人[4]为研究单根链状NiCo2O4纳米线的微结构和电学性能之间的关系，在透射电镜内将单根链状NiCo2O4纳米线连接在两电极之间并施加一定时间的电压后，发现NiCo2O4由链状结构逐渐向单晶完整纳米线结构转变。

1.2 透射电镜在生物学实验教学研究中的应用

在生物学的实验教学中，透射电镜是观察植物超微形态的重要手段。学生通过透射电镜，能够直观地观察植物细胞的细胞膜、细胞壁、溶酶体、线粒体、叶绿体、细胞骨架、高尔基体、细胞质内含物等超微结构，从而更好地理解植物的生理代谢过程[5]。例如，韦康等人[6]利用透射电镜观察了黄茶“中黄2号”的细胞核、细胞质、叶绿体、高尔基体、线粒体等亚细胞结构，发现叶绿体合成受阻影响了“中黄2号”的黄化。黄瓜绿斑驳花病毒是造成西瓜果实腐烂的重要危害之一，宋西娇等人[7]将透射电镜和单抗dot-ELISA技术结合，利用电镜观察病株汁液内病毒粒子，并将杆状病毒聚集体与烟草花叶病毒属的形态结构特征进行对比，实现了对西瓜病叶进行快速病原检测。透射电镜也是纳米生物学实验研究中必不可少的大型仪器。在细胞内吞纳米金颗粒的实验课题设计[8]中，崇羽等人利用透射电镜观察纳米金颗粒形貌及其在细胞内的分布，可以清晰地观察到纳米金颗粒进入细胞后聚集在单层膜的吞噬体内的过程，以此证明纳米金颗粒是以内吞的方式进入细胞，集中分布在胞内指定区域，并不影响其他细胞器的形态结构。此外，透射电镜还可应用于病原体等超微结构的观察。乔欢等人[9]利用透射电镜观察AHPND致病型副溶血性弧菌烈性噬菌体，并对其进行鉴定和分类。透射电镜也并非是全能，毕竟，术业有专攻，它可以和扫描电镜或共聚焦显微镜结合[10]，进一步拓宽其在生物实验教学研究中的应用。

1.3 透射电镜在医学实验教学研究中的应用

医学领域的发展离不开电子显微镜，透射电镜可用于观察组织细胞的超微结构，能够为临床医学的诊断与研究提供重要依据。例如，为了解吸虫超微结构及功能，石云良等人[11]通过透射电镜对大片吸虫的体被组织结构进行观察，发现大片吸虫成虫的免疫逃避及营养吸收可能与其体被组织结构有关。常志尚等人[12]运用透射电镜技术连接并分析糖尿病小鼠肠上皮细胞，观察小鼠肠上皮细胞连接病理学形态改变及过程。透射电镜也可观察到纳米级基因，侯欣欣等人[13]利用透射电镜对载基因磁性纳米球进行观察，发现电子密度较低的白蛋白纳米球包裹了电子密度较高的磁性纳米粒。此外，在医学实验教学研究中，有的样品是不耐电子束辐照的，在透射电镜上加装冷冻样品台实现对样品的冷却，可有效减少样品电子束因电子束辐照而引起的损伤，从而观察到的样品形貌更为真实。

1.4 透射电镜在食品科学实验教学研究中的应用

透射电镜在食品科学中也有着十分广泛的应用。蔡天舒等人[14]利用透射电镜观察了金黄色葡萄球菌噬菌体的形状特点，发现该噬菌体属于长尾噬菌体科，同时，对金黄色噬菌体生长特性进行观察，证明了该噬菌体能有效抑制牛奶中金黄色葡萄球菌的生长。透射电镜也在果蔬保鲜业中有着重要应用[15]，在最好的时间采摘果蔬不仅会保留最佳的色香味，还会延长存储时间。为确定不同果蔬的采摘时间，可采用透射电镜观察果蔬不同时期的超微结构来判断其成熟程度。例如，通过电镜观察蟠桃果实[16]，在发育初期，果肉细胞结构完整且排列整齐，细胞壁的厚度平均；在发育后期，果肉细胞增大，但很难再观察到完整的叶绿体和线粒体，细胞壁出现明-暗-明结构，这说明果实完全成熟，以此来掌握最佳采摘时间，增加果实的耐贮性。通过观察对比在不同条件下细胞的超微结构来判断果蔬的最佳贮藏条件。透射电镜观察超微结构可以判断细胞活性等方面问题，因此也可用于研究保鲜剂的保鲜效果[17]。

2 总结

透射电子显微镜为我们打开了通往微观世界的大门，能够使学生对专业基础知识得到更好的理解与应用。而今，透射电镜不再只局限于材料的结构表征，而且还可用于晶体结构的原位观察、纳米加工和微观实验室的构建。随着实验教学的改革和人才培养的需要，透射电子显微镜在实验教学研究中的应用将会日益广泛。