生物醫學電子顯微鏡技術

一概述1人眼的分辨本領：正常人眼在25cm明視距離內，所能分辨出的兩個細節之間的最小距離，通常是δ=0.1-0.2mm。ABABAB光線物體玻璃透鏡像(1)光鏡成像的基本原理2光學顯微鏡

(3)提高分辨本領的方法

A：增加n值：油鏡；B：增加sinα值：最大值為1；C：減小λ值：熒光顯微鏡和電子顯微鏡。限制光鏡分辨率的關鍵因素是光的波長,光鏡無論制作得如何精密都無法突破這一極限,所以科學發展之必然就是由光鏡而發明電鏡。光波可見光紫外光X－射線電子束（加速電壓值）100V104V105V波長nm760-390390-1313-0.050.1230.01220.00373電子顯微鏡

(1)電子束的產生(光源)陰極鎢絲陽極加速電壓V(2)電子束波長與加速電壓的關系。當電壓較低時，λ=(1.5/V)1/2比如，V=100KV時，λ=0.0039nm，代入阿貝公式，則δ=（0.61λ）/（nsinα）=0.002nm。

加速電壓V（kV）電子束波長l（nm）1000.00392000.002513000.001974000.001648000.0010310000.000872（3）電磁透鏡：電磁透鏡的本質是一個通過直流電的線圈所產生的磁場

。其作用是使電子束經多次會聚后成為具有很小直徑的電子探針。電子探針與樣品相互作用而產生信號。電磁透鏡的成像公式與光學透鏡的一樣，即:1/a+1/b=1/f。式中a為物到透鏡中心的距離即物距，b為像到透鏡中心的距離即像距，f為透鏡的焦距。像的放大倍率為M=b/a

4電子束與固體物質間的相互作用（信號種類）（1）

二次電子：樣品原子的外層電子受入射電子激以發后，獲得足夠能量而逸出樣品表面的電子，習慣上把能量低于50ev的信號電子統稱為二次電子。能量范圍：0-50ev；來源：樣品最表面。ssd入射電子pspK、L、M為電子層s、p、d為電子亞層KLM原子核電子

δ與原子序數Z的關系:隨著Z的增加，δ略微增加

二次電子像的用途：反映樣品的表面形貌和表面元素組成，研究半導體材料和磁材料的特性。

δ與θ（由樣品形貌決定其大?。╆P系：δ∝(secθ)n,n=1,2….A

切線

切線的法線

入射電子

（3）透射電子：當入射電子的能量足夠大或樣品足夠薄時，有部分電子可以穿過樣品而成為透射電子。

（4）特征X-射線：樣品表面的內層電子逸出，在內層電子層上出現空穴，外層電子躍遷填補空穴，并伴隨能量釋放，從而發射出X-射線，該種X-射線的能量與原子中確定能級間的能量有關，因而叫做特征X-射線。特征X-射線適用于樣品的元素分析。

ssd入射電子psps、p、d為電子亞層KLM原子核電子二次電子透射電子/散射電子特征X-射線來源入射電子入射電子樣品功能掃描電鏡，形貌分析透射電鏡，超微結構能量譜儀，元素分析多種信號電子的比較(5)電子顯微鏡的發展簡史1939年，透射電鏡商品化1965年，掃描電鏡商品化1931-32年，Ruska發明了第一臺電鏡，M＝141982年，英國A.Klug博士因利用高分辨率電鏡測定核酸-蛋白質復合體的晶體結構獲得諾貝爾化學獎1986年，Ruska獲得諾貝爾物理獎

國內電鏡發展始于1959年，黃蘭友從左至右：ErnstRuska，GerdBinnig和HeinrichRohrer分別因為發明電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡而分享1986年的諾貝爾物理學獎二透射電鏡（TransmissionElectronMicroscope,TEM)1透射電鏡的結構

(1)電子光學系統（光源）

①電子槍：發射具有一定能量的電子束，包括陰極、陽極和柵極。陰極：發射電子。陽極：提供加速電壓，控制電子束的能量。柵極：提供柵偏壓，控制電子束的電流、最小交叉截面直徑和張角。陰極鎢絲陽極柵極第二聚光鏡物鏡光闌熒光屏第一聚光鏡樣品陰極鎢絲陽極柵極第二聚光鏡物鏡光闌熒光屏第一聚光鏡樣品（2）成像系統①

物鏡：決定分辨率的關鍵。②

中間鏡③投影鏡

(3)觀察與記錄系統（相機、底片、屏）(4)真空系統：延長燈絲的壽命，提高圖像質量。(5)電子學系統：電路（1）電磁透鏡的結構電磁透鏡是指通以直流電的線圈所產生一個磁場。

（2）電磁透鏡的作用使電子束會聚，且有焦點。改變磁場強度大小可以改變焦距大?。篐大則f小。改變加速電壓大小可以改變焦距：加速電壓大則f大。2透射電鏡的成像原理

（3）反差：（反射光的強度差異）樣品的像與其背景在亮度上的差別。(4)透射電鏡中入射電子與樣品相互作用產生的信號電子bacdcdAa：入射電子；b：透射電子；c：小角度散射電子；d：大角度散射電子。入射電子束樣品透射電子大角度散射電子小角度散射電子成像電子∵A點的密度、厚度與B點的密度、厚度不一樣，即(

t)A≠(

t)B，∴成像電子數目A≠成像電子數目B即：A、B兩點的亮度不一樣，于是可分辨出A、B兩點，如細胞質與細胞核，或不同的細胞器。bacdadcbccddABA：被觀察點A；B：被觀察點B；a：入射電子；b：透射電子；c：小角度散射電子；d：大角度散射電子。（6）提高反差的方法

A樣品染色：

生物樣品主要由C、H、O、N等輕元素組成。因而相鄰點A、B間的質量厚度(

t)大體差不多，即圖像的反差不大。如果把某些重金屬離子人為地附著在樣品上，則細胞核及其些細胞器上就會吸附一些重金屬離子，如鉛、鈾等，從而與沒有吸附離子的點或吸附少的點或吸附少的點相區別開來，即人為增加(

t)A

與(

t)B的差值。B調節電鏡操作：縮小孔徑角法、離焦觀察法、暗場觀察法、降低加速電壓法。

3透射電鏡的工作過程

在一定的真空程度下，電子槍發射具有一下能量的電子束，電子束經聚光鏡和光闌作用后會聚到樣品表面，產生透鏡電子和散射電子，透射電子和部分散射電子通過物鏡參與成像。圖像經過中間鏡和投影鏡放大后顯示在熒光屏或底片上，成為清晰可辨的放大圖像。

電子探針樣品透射電子散射電子物鏡光闌、中間鏡、投影鏡圖像顯示屏或相機電子槍三級透鏡電子束典型細胞及細胞器大鼠肝細胞：肝細胞內細胞器多，可作為真核細胞典型代表：細胞核N，核孔NP，核糖體Ri，粗面內質網RER，滑面內質網SER，線粒體Mi，溶酶體Ly，脂質粒L，緊密連接TJ。23000×5透射電鏡在生物醫學上的應用NNPRiMiSER典型細胞及細胞器大鼠肝臟透射電鏡圖：肝細胞呈多邊形，內有典型的細胞器，核卵圓形，位于細胞中心。Sn：血竇；Ed：內皮細胞；Kf：枯否細胞；Bc：毛細膽管，膽汁由此排出。典型細胞核核卵圓形，核質是嗜堿性染色質，均勻散在的是DNA代謝活躍的常染色質，核周圍稠密的異染色質呈粗顆粒，DNA代謝不活躍，核仁Nu清晰可見，核外粗面內質網很豐富。線粒體：左圖為肝細胞，其線粒體呈圓形或卵圓形，嵴Ci短而疏，基質豐富，呈細顆粒狀，偶見在少量結晶狀物質，胞質中還可見溶酶體Ly、微體Mb和擴張的粗面內質網RER。右圖是腎曲管上皮細胞的冷凍蝕刻照片，顯示線粒體各種斷裂面，有內膜內時層的外面A’，內膜外葉層的內面B’，外膜內葉層的外面A和橫斷面，其中富有顆粒的帶狀結構是嵴的橫斷面。線粒體不同形狀的線粒體上圖線粒體是由內外兩層單位膜包圍而成，外膜光滑平坦，內膜向內折疊形成許多嵴，嵴長而密，彼此呈平行排列，且與線粒體長垂直。下圖的線粒體也由兩層單位膜包圍而成，其內膜折疊所成的嵴為彎曲的管狀，其切面呈小泡狀或短管狀。胞質內有較豐富的滑面內質網和脂滴。脂肪細胞細胞內充滿較大的脂滴L，脂滴著色淡而均勻，表面無包膜。細胞核擠在一側，呈新月形，有核仁。胞質內有較多線粒體。質膜下有許多微飲泡Pt，質膜表面光滑，無微絨毛，有一薄薄層基板附著。左上角還可見到一毛細血管。小腸粘膜上皮吸收細胞Lu：腸腔；f：縱行細絲；JC：復合連接體，紋狀緣加大細胞表面積，有利于物質吸收，19000×

左圖是小鼠小腸粘膜上皮細胞頂部的縱切面，在細胞游離面有許多指狀突起，稱為微絨毛。它們伸入腸腔Lu，長短一致，排列整齊。微絨毛內有細胞，與縱軸平行。細絲f向下插入上皮細胞頂部，與終末網W的細絲相交織。微絨毛表面有薄層細胞衣C。右圖是小鼠小腸上皮細胞冷凍蝕刻圖像。細胞質膜內蠅層外面A顆粒多，質膜外葉層內面B光滑，僅有少量顆粒，可見微絨毛的斷面，CW為終末網。小鼠小腸粘膜上皮細紋狀緣的橫切面圖，從微絨毛的橫斷面上可看出質膜的三層結構，膜外有一層茸毛狀的細胞衣，每根微絨毛內含許多細絲。連接體TJ：相鄰兩細胞C1和C2的緊密連接帶；IJ：中間連接；De：橋粒。37500×典型紅細胞人外周血紅細胞兩面凹陷成扁圓形，表面有一層質膜，內含均質、無定形的致密物。1是垂直切面，2為水平切面，中心淺淡是因細胞中心較薄所致。TEM12小淋巴細胞上圖：人外周血小淋巴細胞，細胞核大而濃染，胞質內細胞器不多，僅有少量大的呈卵圓形的線粒體和核糖體。細胞表面有許多短的微絨毛，圖右上角是一紅細胞，右下角是血小板。血小板下圖：人外周血血小板，血小板直徑為2-4um，表面有質膜CM，膜外有一層較厚的粘多糖外衣。左上角插圖是人血小板的致密顆粒，右下角插圖是家兔血小板的致密顆粒。毛細血管大鼠腎上腺皮質的血竇由內皮細胞Li構成，有窗孔，孔徑一般較大，大多數無隔膜。內皮細胞外面無基膜，可見周細胞突起Pe。血竇外周為束狀帶上皮細胞。成骨細胞人胚脛骨骺端的骨小梁，左下角骨板內有染色深的磷灰石結晶。骨板上方有幾個成骨細胞，細胞略呈多邊形，胞質中有在量粗內質網和線粒體。右上角為骨髓腔內的幼稚血細胞。4500下：成骨細胞胞核較大，核質分布均勻，核仁明顯。心肌纖維上圖為心室心肌纖維縱切面，圖示心肌纖維的橫紋與骨骼肌纖維相似。肌節中可見Z線、A帶、I帶、H帶和M線。二聯體位于Z線處，由T管和肌質網SR組成。下圖為心室心肌纖維橫切面，主要顯示相鄰心肌纖維以閏盤相連，閏盤呈階梯狀，其水平部分由粘合帶IM相連接，縱行部分可見縫隙連接，圖中間可見心肌細胞呈分叉狀。橫紋肌縱切面上有明顯模紋，A帶著色深，中央為較淡的H帶；H帶中間是M線；I帶中間是Z線；SR：肌漿網；SR與扁平的T膜囊TS并列，構成三聯體。腎小球及其病理變化血管腔內有紅細胞；Ed：毛細血管的內皮細胞；BM：基膜；Ep：臟層上皮細胞，即足細胞，外形不規則，有許多指突突起FP’。5000和×12800腎小球及其病理變化a正常人腎小球；b系膜增長性病變：系膜淀粉樣變化；c腎小球微小病變：足突融合；d基底膜病變：基底膜增厚膠原纖維人肺胞隔間質，顯示膠原微纖維橫斷面，微纖維集合成束，組成膠原纖維。成纖維細胞的胞突伸入膠原纖維間，圖中上方一組膠原微纖維中有小束無髓鞘神經，圖右側為成纖維細胞的胞體。左圖是人肺泡隔間質：顯示一束膠原微纖維的橫斷面，其直徑為30-100nm，另可見纖維細胞的細長突起F和彈性纖維EI。40000。右圖是分離的膠原纖維負染標本：圖示一條膠原微纖維，上有明顯的周期橫紋，每一周期內有A，B兩個亞帶，A帶較淺，B帶較深，在S，B兩帶中還可見到更細的橫紋，以及與胸原微纖維縱軸平行的縱行細絲。傷寒桿菌及其鞭毛的復型透射電鏡圖24000腺病毒（AV）

是研究20面體對稱結構的典范，AV：胞核內的晶格排列；LB：核內呈板層結構的包涵體；NM：雙層核膜；Ch：染色質；Go：高爾基體。47000腺病毒負染病毒被細胞核膜包著，仍然保持著晶格的排列。武漢病毒研究所觀察到的冠狀病毒樣顆粒(中科院網站公布)感染“非典”病毒患者的肺部組織切片的照片。冠狀病毒樣模型

臨床診斷肝炎病毒納米材料納米復合材料由納米級的殼聚糖晶須增強緩釋微膠囊，微膠囊中包合天冬酰胺酶，用于治療兒童急淋白血病。高分子材料微觀結構TEM觀察到高分子材料的納米級有序結構，是通過分子自組裝而實現的，可能具有某些仿生特點。箭頭所示為三層結構123在直徑50nm的碳納米管上纏有直徑為5nm左右的細碳納米管，這種現象非常少見。三掃描電鏡（ScanningElectronMicroscope,SEM）

1SEM的結構

(1)電子光學系統

①電子槍：發射具有一定能量的電子束，包括陰極、陽極和柵極。陰極：發射電子。陽極：提供加速電壓，控制電子束的能量。柵極：提供柵偏壓，控制電子束的電流、最小交叉截面直徑和張角。陰極陽極柵極第一聚光鏡第二聚光鏡物鏡樣品CRT二次電子E-T探測器掃描線圈②

聚光鏡：使電子束會聚的電磁透鏡。物鏡：最末一個聚光鏡。工作距離：物鏡到樣品表面中心的距離。光闌：擋掉多余的電子，控制電子束的直徑，分為固定光闌和可動光闌?？蓜庸怅@示意圖固定光闌示意圖陰極陽極柵極第一聚光鏡第二聚光鏡物鏡樣品CRT二次電子E-T探測器掃描線圈電子槍③掃描線圈ABCABDCA’B’D’C’使電子束在樣品表面作柵狀掃描的系統?？刂齐娮邮膾呙杷俣龋鞉?、慢掃）和掃描范圍（放大倍數M）。

電流I陰極陽極柵極第一聚光鏡第二聚光鏡物鏡樣品CRT二次電子E-T探測器掃描線圈信號收集、處理、顯示系統（2）信號收集、處理、顯示系統Everhart-Thornley型探測器，（E-T探測器）：結構：金屬屏蔽罩、閃爍體（將電子轉變為光子即電信號被轉變為光信號)、光導管（傳遞光子）、光電倍增管（放大、處理光信號）。工作過程：入射電子束樣品電子，電信號光子，光信號閃爍體E-T探測器圖像，視頻信號CRT陰極陽極柵極第一聚光鏡第二聚光鏡物鏡樣品CRT二次電子E-T探測器掃描線圈電子槍放大倍率M：M＝B圖像寬度/b掃描范圍b：掃描范圍內樣品寬度，B：圖像的寬度。改變掃描線圈上電流的大小和周期改變掃描范圍b的大小改變放大倍數M（3）樣品室（4）

真空系統：保護燈絲，提高圖像質量2掃描電鏡的工作過程

在一定的真空度下，電子槍發射具有一定能量的電子束，電子束經三級透鏡和光闌后，會聚為直徑只有5-50nm的電子探針，電子探針受掃描線圈作用，在樣品表面作柵狀掃描；同時，電子探針與樣品相互作用而產生多種信號電子；信號電子被探測器收集、處理，得到熒光屏上顯示的樣品表面的放大圖像。

電子探針樣品信號電子E-T探測器圖像CRT電子槍三級透鏡電子束掃描線圈3掃描電鏡的成像原理：反差的形成A

B

二次電子產率與δ與θ（由樣品形貌決定）的關系：

∵δ＝(secθ)n，∴δA＝secθA,δB＝secθB,

又∵θA≠θB，∴δA≠δB即：A、B兩點的信號強度不同，從而形成反差，能分辨出A與B。掃描電鏡的功能：反映樣品的表面形貌。反映樣品的元素組成。反映樣品的電、磁特性分析和晶體特性。反映樣品的某些特殊性能。5掃描電鏡的操作要點加速電壓的選擇；工作距離的選擇；可動光闌孔徑的選擇：可動不闌孔徑對分辨率的影響、對亮度的影響6掃描電鏡常規制樣方法取材清洗脫水固定粘臺干燥噴金觀察只要是固體或可處理為固體的物質，均可用SEM觀察其表面結構，或經斷裂后觀察其內部結構，并可進行尺寸測量。

7掃描電鏡的特點圖像立體感強；放大倍率可變范圍大，且分辨率較高；制樣簡單、樣品受到的熱損傷和污染程度小；可實現多功能分析；可與其它儀器聯機使用。

8EM與OM的比較、SEM與TEM的比較（1）EM和OM：光源、透鏡、成像原理、功能用途、放大倍數（2）SEM和TEM：結構：掃描線圈、樣品室、成像系統原理：二次電子或透射電子、值或t值、虛像或實像工作條件：加速電壓、對樣品的污染用途：表面或內部結構觀察放大倍數：光源聚光鏡樣品物鏡目鏡投影鏡電子槍掃描線圈電磁透鏡樣品探測器電磁透鏡光鏡透射電鏡掃描電鏡肉眼直接觀察圖像圖像投到熒光屏上圖像模擬顯示在視屏上血細胞掃描電鏡圖TL：T淋巴細胞；Mo：單核細胞，有足突8500；BL：B淋巴細胞；Er:典型紅細胞12000×；Gr：顆粒白細胞9掃描電鏡在生物醫學上的應用TEM寄生蟲卵掃描電鏡圖左圖為肝吸蟲卵，前端卵蓋已脫落；后端有一小突起，3000,大小為31.717m；右圖為湖北江陵2100多年前的古尸體內吸蟲卵，其外形、大小與現代肝吸蟲卵相似。寄生蟲卵掃描電鏡圖

絳蟲卵，呈圓球形，大小約42um，卵殼表面有許多大小不等的乳頭狀突起。胃上皮細胞掃描電鏡細胞排列整齊，大小一致，表面光滑。鈾礦工頭發的掃描電鏡觀察圖1：無井下作業史人員的頭發，毛干呈圓柱形,被覆以毛干表面一層鱗片狀毛小皮細胞排列有序,層數較多,大致互相平行,彼此扣合緊密。毛小皮間的間距較均勻,游離緣與毛干長軸基本垂直,且傾向毛干末端,微凸微凹呈小鋸齒狀,輪廓清楚,并以小而尖銳形為主。圖2：氡子體累積暴露量50WLM以下時,毛小皮與毛小皮之間的間距顯示出一些疏密不均,游離緣微凸，微凹的鋸齒變得較平滑,其它微細結構同對照組相比,未見明顯的變化。隨著輻射的累積的增加，毛小皮細胞鱗片、毛小皮間距、游離緣鋸齒狀的形態結構等都而向著損傷程度加劇的方向變化，最后出現較為嚴重的損傷：毛小皮邊緣外翻、粘連以及脫落等。1.對照組釘螺的頭足部外形(30×)；2.對照組釘螺的頭部放大(2500×)；3.對照組釘螺的足部放大(800×)；4.對照組釘螺的外套膜(800×)；5.1.0g/L浸泡組釘螺的頭足部外形(30×)；6.1.0g/L浸泡組釘螺的頭部放大(2500×)；7.1.0g/L浸泡組釘螺的足部放大(800×);8.1.0g/L浸泡組釘螺的外套膜(800×)；9.對照組釘螺的肝部內臟囊(60×)；10.1.0g/L浸泡組釘螺的肝部內臟囊(60×)；11.對照組釘螺的肝部內臟囊放大(3000×)；12.1.0g/L浸泡組釘螺的肝部內臟囊放大(3000×)掃描電鏡下的蚊子掃描電鏡下的真菌上圖示出一種可生物降解的無生物毒性的組織工程材料與骨髓基質細胞（BMSC）一起培養后的SEM圖片。在培養6h后，細胞在材料表面很好地附著；在9d之后，細胞在高聚物材料表面發育為單層細胞層，由此體現出這種材料良好的生物相容性。進一步研究表明，這種細胞還可進入材料內層，說明骨髓基質細胞可以培養在這種材料表面，二者具有較好的相容性。A:6hB:9d掃描電鏡觀察細胞與材料的關系圖中所示為蛋白質與纖維素的復合物，比純纖維素具有更好的細胞相容性。掃描電鏡觀察細胞與材料的關系培養在改性后的復合材料表面的ECV細胞隨著復合材料組成的變化，其表面形貌發生變化，孔徑大小發生變化。多孔材料的形貌觀察及孔徑測量聚氨酯（PU）和添加了聚氧化乙烯（PEO）交聯后的嵌段共聚物分別與富含血小板的血漿一起孵育，然后用SEM觀察高聚物表面對血小板的粘附狀況。上圖示出，無論是PU或是含有PEO交聯后的共聚物都具有吸附血小板的能力，但隨著PEO鏈長的增加，這種吸附能力在減弱。經PEO適度交聯后，既保持了原來PU的生物相容性，又提高了材料的力學性能，從而可能開辟這種材料在生物醫學方面的潛在用途。

SEM觀察生物材料的血液相容性納米級和微米級顆粒的形貌觀察和尺寸計算。納米技術及自組裝技術在生物醫學上的應用：靶向藥物、緩釋藥物的設計；具有新型醫學、醫療功能材料的開發。納米纖維各種納米顆?；蚣{米晶高分子微球的SEM觀察包容了藥物的高分子微球：具有良好的藥物控制釋放作用。高分子海綿樣品的SEM觀察多孔結構和類似通道一樣的微觀結構四原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscope,AFM)1基本原理和方法(原子力)（1）基本原理：原子力顯微鏡是將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一個微小的針尖，其尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力（10–8~10–6N），利用光學檢測法或隧道電流檢測法，通過測量針尖與樣品表面原子間的作用力獲得樣品表面形貌的三維信息。當針尖接近樣品時，將受到力的作用使懸臂發生偏轉或振幅改變。懸臂的這種變化經檢測系統檢測后轉變成電信號傳遞給反饋系統和成像系統，記錄掃描過程中一系列探針變化可獲得樣品表面信息圖像。

AFM原理圖AFM結構圖掃描器：AFM依靠掃描器控制對樣品掃描的精度反饋系統：AFM有力恒定方式和高度恒定兩種基本方式。力恒定方式（Constant-ForceMode）：設置樣品與針尖之間作用力恒定（懸臂彎曲度不變），記錄x、y方向掃描時z方向掃描器的移動來獲得樣品的表面形態；高度恒定方式（Constant-HeightMode）：針尖相對于樣品的高度一定，記錄掃描器在z方向的運動而成像，該方法適于觀察原子、分子的圖像。

（2）儀器組成多種方法檢測：光反射法、光干涉法、隧道電流法、電容檢測法等。（3）成像模式接觸模式（ContactMode）：是指原子力顯微鏡的探針與試樣相互接觸、相互作用力位于F/S曲線的斥力區。非接觸模式（Non-contactMode）：是指原子力顯微鏡的探針與試樣保持一定的空間距離，相互作用力位于F/S曲線的引力區。共振模式（TappingMode）：是指懸臂在z方向驅動共振，控制振幅在一恒定值，記錄z方向掃描器的移動而成像，針尖與樣品可以接觸，也可以不接觸，適用于易形變的軟質樣品。

（4）相關技術（1）側向力顯微鏡（LateralForceMicrosc