电子显微镜（Electron Microscopy, EM）检测技术介绍
电子显微镜（EM）是一种利用电子束代替可见光成像的高分辨率显微技术，能够观察纳米级超微结构（如细胞器、病毒、材料表面形貌等），广泛应用于生物学、医学、材料科学等领域。
一、电子显微镜的主要类型
1. 透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）
-
原理：电子束穿透超薄样本（50-100 nm），通过电磁透镜放大成像。
-
分辨率：0.1-0.2 nm（接近原子级别）。
-
适用样本：
-
细胞超微结构（线粒体、内质网、病毒等）。
-
纳米材料（如碳纳米管、金属颗粒）。
-
2. 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）
-
原理：电子束扫描样本表面，检测反射的二次电子或背散射电子成像。
-
分辨率：1-10 nm（表面形貌）。
-
适用样本：
-
材料表面形貌（如金属断口、涂层）。
-
生物样本表面结构（如细菌、花粉、昆虫）。
-
3. 其他变体技术
-
冷冻电镜（Cryo-EM）：直接观察冷冻含水样本，避免化学固定损伤（适用于蛋白质结构解析）。
-
环境扫描电镜（ESEM）：可观察湿润或非导电样本（如活细胞）。
二、电镜样本制备流程（以生物样本为例）
1. TEM样本制备
-
固定：
-
初级固定：2.5%戊二醛（稳定结构）。
-
次级固定：1%锇酸（增强对比度，固定脂类）。
-
-
脱水：梯度酒精或丙酮（50%→70%→90%→100%）。
-
包埋：环氧树脂（如Epon 812）渗透并聚合硬化。
-
超薄切片：用超薄切片机切50-100 nm薄片，捞取至铜网。
-
染色：
-
醋酸铀（增强核酸/蛋白对比度）。
-
柠檬酸铅（增强膜结构对比度）。
-
2. SEM样本制备
-
固定与脱水：同TEM（戊二醛+锇酸，梯度脱水）。
-
干燥：
-
临界点干燥（避免表面张力损伤）。
-
或冷冻干燥（适用于含水样本）。
-
-
喷镀：
-
镀金/铂（增加导电性，避免电荷积累）。
-
3. 冷冻电镜（Cryo-EM）样本制备
-
快速冷冻：将样本置于液态乙烷（-196℃）中玻璃化。
-
直接观察：无需染色或脱水，保持天然状态。
三、电镜的应用领域
1. 生命科学
-
细胞生物学：观察线粒体、高尔基体、核孔复合体等超微结构。
-
病毒学：解析病毒形态（如SARS-CoV-2的刺突蛋白）。
-
神经科学：突触结构、髓鞘分析。
2. 材料科学
-
纳米材料：表征量子点、石墨烯的原子排列。
-
金属/陶瓷：分析晶界、缺陷、断裂面。
3. 医学诊断
-
病理学：肾小球基底膜病变（如薄基底膜病）。
-
血液病：血小板超微结构异常。
四、电镜的优缺点
优点
-
超高分辨率：纳米级甚至原子级观察。
-
多维信息：TEM提供内部结构，SEM显示表面形貌。
-
结合分析技术：如能谱仪（EDS）可同步进行元素分析。
局限性
-
样本制备复杂：需超薄切片、真空环境（生物样本需固定脱水）。
-
成本高：设备昂贵，维护费用高。
-
无法观察活细胞：常规EM需固定样本（冷冻电镜除外）。
五、电镜 vs 光学显微镜
| 特性 | 电子显微镜（EM） | 光学显微镜（LM） |
|---|---|---|
| 分辨率 | 0.1 nm（TEM） | 200 nm（可见光极限） |
| 光源 | 电子束 | 可见光 |
| 样本要求 | 超薄（TEM）、干燥（SEM） | 可直接观察活细胞 |
| 应用场景 | 超微结构、材料科学 | 细胞组织常规观察 |
六、常见问题与解决方案
-
问题1：图像对比度低
-
原因：染色不足或固定不彻底。
-
解决：优化锇酸/醋酸铀染色时间。
-
-
问题2：样本损伤
-
原因：电子束辐照过强。
-
解决：降低加速电压或使用冷冻电镜。
-
-
问题3：SEM样本荷电
-
原因：样本导电性差。
-
解决：喷镀金属层或使用低真空模式（ESEM）。
-
总结
电子显微镜是揭示微观世界的有力工具，尤其适用于超微结构研究和纳米材料表征。尽管样本制备复杂，但其无可替代的高分辨率使其在科研和工业领域至关重要。冷冻电镜等新技术的发展进一步推动了结构生物学和材料科学的突破。
