生物电子显微技术

1、 实用生物电子显微技术总学时数：32授课学时：22实验学时：10授课教师：范华联系电话：6288312绪论一、电子显微镜诞生的意义一、电子显微镜诞生的意义二、电镜技术的概况二、电镜技术的概况( (一一) )仪器的进步仪器的进步 ( (二二) )样品制备技术的发展样品制备技术的发展 三、电镜技术的应用与未来三、电镜技术的应用与未来( (一一) )电镜技术的应用电镜技术的应用 ( (二二) )电镜技术的未来电镜技术的未来1.了解电子显微镜诞生的意义、及未来2.掌握电镜技术的概况与应用3.理解为什么光的波长成了光学显微镜 提高分辨率的不可逾越的障碍教学目的和要求教学目的和要求一、电子显微镜诞生的意义

2、一、电子显微镜诞生的意义1. 1. 眼睛眼睛2. 2. 光学显微镜光学显微镜3. 3. 电子显微镜电子显微镜1. 1.眼睛眼睛2.光学显微镜（1 1）15901590年年 荷兰眼镜制造商荷兰眼镜制造商 J.JanssenJ.Janssen和和Z.JanssenZ.Janssen父子父子 制作了第一台复式显微镜，制作了第一台复式显微镜， 尽管其放大倍数不超过尽管其放大倍数不超过1010倍，倍， 但具有划时代的意义。但具有划时代的意义。（2 2）16101610年年意大利的物理年年意大利的物理 学家伽利略（学家伽利略（GalileoGalileo） 创造出了具有目镜、物创造出了具有目镜、物 镜和镜

3、筒的较为复杂的镜和镜筒的较为复杂的 显微镜。显微镜。（3 3）16611661年凯谱勒（年凯谱勒（KeplerKepler）说明）说明 了显微镜的光学原理。了显微镜的光学原理。（4 4）16651665年英国人年英国人Robert HookRobert Hook用自己设计与制造的用自己设计与制造的 显微镜（放大倍数为显微镜（放大倍数为40-14040-140倍倍) )观察了软木（栎观察了软木（栎 树皮树皮) )的薄片，第一次描述了植物细胞的构造，的薄片，第一次描述了植物细胞的构造，并并 首次用拉丁文首次用拉丁文cellacella（小室（小室) )这个词来称呼他所看这个词来称呼他所看 到的类似

4、蜂巢的极小的封闭状小室（实际上只是到的类似蜂巢的极小的封闭状小室（实际上只是 观察到到纤维质的细胞壁观察到到纤维质的细胞壁) )。然而这一发现是一。然而这一发现是一件件 了不起的发现，这是人类有史以来第一次看到细了不起的发现，这是人类有史以来第一次看到细 胞轮廓，是生物学上的一个飞跃，为研究生命的胞轮廓，是生物学上的一个飞跃，为研究生命的 本质和生物科学奠定了基础。本质和生物科学奠定了基础。 Robert Hook和他的显微镜和他的显微镜 （5 5）1717世纪末，荷兰生物学家、显微世纪末，荷兰生物学家、显微 镜专家列文虎克（镜专家列文虎克（LeeuwenhoekLeeuwenhoek） 设计

5、创造的显微镜，其放大倍数设计创造的显微镜，其放大倍数 已达到已达到270270倍，通过这一装置，倍，通过这一装置， 他看到了单细胞生物、狗和人的他看到了单细胞生物、狗和人的 精子、酵母菌、红细胞精子、酵母菌、红细胞 他一生中制造的显微镜有他一生中制造的显微镜有400400台并且在显微镜的改进方台并且在显微镜的改进方面作出了卓越的贡献，后来被面作出了卓越的贡献，后来被人们称为人们称为“显微镜之父显微镜之父”。（6 6）17521752年英国望远镜商人年英国望远镜商人J. DollondJ. Dollond 发明消发明消 色差显微镜。色差显微镜。（7 7）18121812年苏格兰人年苏格兰人D.

6、Brewster D. Brewster 发明油浸物镜，发明油浸物镜， 并改进了体视显微镜。并改进了体视显微镜。（8 8）18861886年德国人年德国人Ernst AbbeErnst Abbe 发明复消差显微发明复消差显微 镜，并改进了油浸物镜，至此普通光学显微镜，并改进了油浸物镜，至此普通光学显微 镜技术基本成熟。镜技术基本成熟。（9 9）19321932年荷兰籍德国人年荷兰籍德国人F. ZernikeF. Zernike成功设计了成功设计了 相差显微镜（相差显微镜（phasecontrastphasecontrast microscope) microscope) ， 并因此获并因此获1

7、9531953年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。1738年的显微镜1742年显微镜1750年显微镜1800年显微镜1833年显微镜1845年显微镜1900年显微镜1929年显微镜1931年显微镜1971年显微镜3.电子显微镜发展简史（1 1）19241924年，得布罗意（年，得布罗意（de Brogliede Broglie）提出波粒二）提出波粒二 象性假说象性假说（2 2）19261926年，布什（年，布什（BuschBusch）发现了旋转对称，不均）发现了旋转对称，不均 匀的磁场可以聚焦电子束匀的磁场可以聚焦电子束（3 3）19311931年，柏林大学的克诺尔年，柏林大学的克诺尔(Knoll

8、)(Knoll)和卢斯卡和卢斯卡 (Ruska)(Ruska)研制出第一台电镜（点分辨率达到研制出第一台电镜（点分辨率达到50nm50nm）（4 4）19391939年，德国西门子公司生产出第一批商用透年，德国西门子公司生产出第一批商用透 射电镜（点分辨率射电镜（点分辨率10nm10nm）（5 5）19421942年，英国剑桥大学研制成世界上第一台扫描电年，英国剑桥大学研制成世界上第一台扫描电 子显微镜子显微镜（6）1950年，开始生产高压电镜（点分辨率优于年，开始生产高压电镜（点分辨率优于 0.3nm，晶格条纹分辨率优于，晶格条纹分辨率优于0.14nm）（7）1956年，门特年，门特(Men

9、ter)发明了多束电子成像方发明了多束电子成像方 法，开创了高分辨电子显微术法，开创了高分辨电子显微术 （8）1965年剑桥大学仪器公司生产出第一批商品扫描电镜，分辨率50-100nm，最高放大倍数为1万倍。我国的电镜研制我国的电镜研制1. 1959年中科院光学精密机械研究所、上海精密仪器厂等单位 首先研制成功我国第一台透射电镜（XD-100）；2. 1965年中科院科学仪器厂又研制成功DX-3型透射电镜；3. 1977上海新跃仪表厂设计制造出DXB2-12型透射电镜。诺贝尔奖：诺贝尔奖：Ernst Ruska，Gerd Binnig和和Heinrich Rohrer分别因为发明电子显微镜和扫

10、描隧道显微镜分别因为发明电子显微镜和扫描隧道显微镜而分享而分享1986年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖世界上第一台电子显微镜TEM 三、电镜技术的概况1.1.分辨率的提高分辨率的提高（一）仪器的进步第一台电镜：放大倍数第一台电镜：放大倍数1212倍倍目前，电镜的最佳晶格分辨率以达目前，电镜的最佳晶格分辨率以达0.1nm0.1nm， 点分辨率已达点分辨率已达0.20.20.3nm0.3nm2. 2.电镜功能的增加电镜功能的增加1）能揭示超薄切片和冷冻复型样品的超微结构的）能揭示超薄切片和冷冻复型样品的超微结构的 2）能揭示样品表面超微结构的）能揭示样品表面超微结构的3）能同时观察样品的表面和

11、内部的超微结构，甚至）能同时观察样品的表面和内部的超微结构，甚至 能够观察单个原子像的高分辨率（小于能够观察单个原子像的高分辨率（小于0.1nm）的）的 4）能对样品中的某些化学元素进行综合分析评定的）能对样品中的某些化学元素进行综合分析评定的 5）能观察活细胞的）能观察活细胞的 透射电镜透射电镜扫描电镜扫描电镜场发射扫描透射电镜场发射扫描透射电镜分析电镜分析电镜超高压电镜超高压电镜(二)样品制备技术的发展1.呈现样品的二维超微结构、应用广泛的的呈现样品的二维超微结构、应用广泛的的 2.呈现样品表面超微结构、立体感较强的呈现样品表面超微结构、立体感较强的 3.呈现生物膜的断裂面超微结构的呈现生

12、物膜的断裂面超微结构的4.进行细胞内化学分析的定性和定位研究的进行细胞内化学分析的定性和定位研究的 5.进行细胞内抗原抗体的定性和定位研究的进行细胞内抗原抗体的定性和定位研究的6.进行细胞内物质运输和大分子合成的动态过程进行细胞内物质运输和大分子合成的动态过程 研究的研究的7.研究病毒和生物大分子等悬浮材料的研究病毒和生物大分子等悬浮材料的8.分析细胞内多种元素的分析细胞内多种元素的超薄切片术超薄切片术扫描电镜样品制备技术扫描电镜样品制备技术冷冻蚀刻技术冷冻蚀刻技术电镜细胞化学技术电镜细胞化学技术免疫电镜技术免疫电镜技术电镜放射自显影技术电镜放射自显影技术负染技术负染技术X-射线微区分析术射线

13、微区分析术. .生物科学方面生物科学方面(1)(1)细胞生物学细胞生物学的研究的研究 用电镜技术发现并揭示了细胞内各种细胞器的用电镜技术发现并揭示了细胞内各种细胞器的超微结构，特别是细胞骨架系统和生物膜的超微结超微结构，特别是细胞骨架系统和生物膜的超微结构促进了对细胞的结构及其功能的研究，如构促进了对细胞的结构及其功能的研究，如: :细胞生细胞生理和生化、细胞通讯与运输、细胞分裂与分化、细理和生化、细胞通讯与运输、细胞分裂与分化、细胞增殖与调控等。胞增殖与调控等。三、电镜技术的应用与未来三、电镜技术的应用与未来（一）电镜技术的应用（一）电镜技术的应用(2)(2)分子生物学分子生物学的研究的研究

14、 用电镜技术揭示了核酸和蛋白质大分子的超用电镜技术揭示了核酸和蛋白质大分子的超微结构，并对其进行了亚显微测量微结构，并对其进行了亚显微测量; ;还研究了染色还研究了染色体的超微结构，拍摄了体的超微结构，拍摄了DNADNA转录转录mRNAmRNA的过程，观察的过程，观察到了灯刷染色体、巨大多线染色体和在染色质纤到了灯刷染色体、巨大多线染色体和在染色质纤维上间隔排列的球形核小体，并研究了核小体的维上间隔排列的球形核小体，并研究了核小体的化学组成和分子结构。另外，还进行了核酸分子化学组成和分子结构。另外，还进行了核酸分子杂交和编接基因缺失的观察与研究以及核糖体和杂交和编接基因缺失的观察与研究以及核糖

15、体和蛋白质合成机制的研究等。蛋白质合成机制的研究等。(3)(3)动物学动物学和和植物学植物学方面方面 用电镜技术进行了广泛的细胞超微结构的研用电镜技术进行了广泛的细胞超微结构的研究，特别对动植物的分类学研究作出了贡献。究，特别对动植物的分类学研究作出了贡献。(4)(4)微生物学微生物学方面方面 用电镜技术揭示了病毒、细菌和支原体等的用电镜技术揭示了病毒、细菌和支原体等的超微结构，促进了微生物发育史的研究，并发现超微结构，促进了微生物发育史的研究，并发现了新的细菌、病毒和类病毒等。了新的细菌、病毒和类病毒等。(1)(1)基础医学基础医学方面方面 电镜技术为超微病理学的研究提供了先进的电镜技术为超

16、微病理学的研究提供了先进的手段，如手段，如: :对病变细胞超微结构的研究，有助于对病变细胞超微结构的研究，有助于探索病因和治疗的机理。特别是高分辨力的电镜探索病因和治疗的机理。特别是高分辨力的电镜更促进了分子病理学的产生与发展更促进了分子病理学的产生与发展; ;在中医基础在中医基础理论的研究方面也获得了广泛的应用，如针刺机理论的研究方面也获得了广泛的应用，如针刺机理和中草药药理的研究等。理和中草药药理的研究等。. .医学科学方面医学科学方面(2)(2)临床医学临床医学方面方面 免疫电镜技术为研究疑难病症的诊断与治疗开辟免疫电镜技术为研究疑难病症的诊断与治疗开辟了道路，如了道路，如: :对天花等

17、病症，用免疫电镜技术可以在对天花等病症，用免疫电镜技术可以在数分钟内作出明确的诊断数分钟内作出明确的诊断; ;另外对病毒性肝炎、肾病、另外对病毒性肝炎、肾病、血液病和肿瘤的分类和诊断也显示出了优势。血液病和肿瘤的分类和诊断也显示出了优势。 . .农林科学农林科学方面方面 电镜技术在植物保护、良种繁育、土壤改良、成电镜技术在植物保护、良种繁育、土壤改良、成分分析、品种的分类与鉴定和动植物各种疾病的病因、分分析、品种的分类与鉴定和动植物各种疾病的病因、诊断与防治方面的研究都获得了快速进展。诊断与防治方面的研究都获得了快速进展。. .材料科学材料科学方面方面 可用电镜对各种非金属和金属材料的超微结构

18、感可用电镜对各种非金属和金属材料的超微结构感行鉴定和检测，以及进行新型材料的研制等。行鉴定和检测，以及进行新型材料的研制等。 . .纵向联系将不断深入纵向联系将不断深入我们知道有多种类型的电镜和众多的样品我们知道有多种类型的电镜和众多的样品尉备方法，各有特长，且仍在不断推陈出新。尉备方法，各有特长，且仍在不断推陈出新。为了使研究结果更有说服力，现在趋向用不同为了使研究结果更有说服力，现在趋向用不同的手段对同一种材料做多角度的观察，并综合的手段对同一种材料做多角度的观察，并综合分析各种资料，以便更全面、客观和深入地进分析各种资料，以便更全面、客观和深入地进行分析与研究。行分析与研究。( (二二)

19、 )电镜技术的未来电镜技术的未来. .横向联系将不断扩展横向联系将不断扩展在电子显微术不断发展的同时，又涌现在电子显微术不断发展的同时，又涌现出许多种显微技术和其它物理技术，它们都出许多种显微技术和其它物理技术，它们都各有专长，如各有专长，如: :扫描隧道显微术、原子力显扫描隧道显微术、原子力显微术、激光扫描共焦显微术、扫描电微术、激光扫描共焦显微术、扫描电- -声显声显微术、免疫荧光显微术、顺磁共振与核磁共微术、免疫荧光显微术、顺磁共振与核磁共振术、差示扫描量热法、超离心技术和振术、差示扫描量热法、超离心技术和X-X-射射线衍射术等。线衍射术等。. .仪器将继续更新仪器将继续更新人类的想象能力和创造精神是无止境的，人类的想象能力和创造精神是无止境的，总要不断地提出间题和解决间题，新的发现与总要不断地提出间题和解决间题，新的发现与发明仍将层出不穷，电镜技术的未来难以预测。发明仍将层出不穷，电镜技术的未来难以预测。但一般来说，电镜的操作将更多地依靠电脑调但一般来说，电镜的操作将更多地依靠电