电子显微镜与细胞超微结构研究

二十世纪60年代，电镜标本戊二醛 固定技术，观察到微管、微丝、中 间纤维。 到70年代，超高压电镜，细胞立体 结构－微梁系统， “细胞骨架” （cytoskeletom）。 1976年，K. R. Porter细胞微梁系统 模式图 1989 年 ， 美 国 科 学 家 第 一 次 利 用 STM观察到了DNA双螺旋结构 1990年，我国科学家用自行研制的 STM ，观察到噬菌体DNA的三链 辫状缠绕结构
中国电镜生产简况

1959年，科学院长春光学精密机械与物理研究 所研制成功第一台透射电镜 1975年，科学院北京科学仪器厂研制成功第一 台扫描电镜 1989年，科学院院士白春礼主持研制成功第一 台原子力显微镜
电子显微镜与细胞超微结构研究
电镜发明15年后才被应用于生物学研究，人 们利用电镜相继观察了各种细胞器的超微结 构。
电镜的发明和发展
↓
电子显微形态学
↓
细胞生物学、组织学、胚胎学、病理学、临床医学
电子显微技术在生物医学方面发挥着重要的作用，因 此认真学习电镜技术将为今后的科研、临床诊断工作 打下良好的基础。
复习题
1．发展史：细胞学说，电镜发明（透射、扫描）。
2．举出两个与电子显微镜有关的Nobel奖获得者，并简述 他们的贡献。 3．常用的电子显微镜有那些种类？它们各有什么特点？
1986年，Ruska与发明扫描隧道显微 镜的Binnig和Rohreryinci共同荣获Nobel 物理学奖 此后美国RCA、日本Hitachi、荷兰 Philips等陆续开始生产各种商用电镜产 品，分辨率已达到0.15nm。
扫描电子显微镜的发明

1935年，Knoll提出SEM的设计思想和工作原理 1938年，M.Von Ardene阐述实现SEM的原理,自制一台SEM
2。柠檬酸铅染色法
电镜观察
图示神经元的电子显微超微结构(x 6500):大脑颞上回皮质第III层锥 体细胞的胞体 Den1- 顶树突, Den2- 基底树突，Nuc- 胞核，NB- 尼 氏体，G- 高尔基氏器（Golgi apparatus），mit- 线粒体， Lf- 脂质 小体，m- 微管
扫描电镜观查
电子显微镜技术
Electron Microscope
样品制备 超薄切片 电镜观察
图像分析
超微结构与电子显微镜

超微结构研究是人类认识物质世界的一个知识层面。 基本方法：
– 透射电子显微镜(transmission electron microscope, TEM)
观察组织细胞的内部结构。
– 扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)
电子显微镜及其相关技术的研究进展
高分辨型TEM 和
SEM：采用场发射
枪、低球差和高加 速电压等技术，易 于高分辨操作。
电子显微镜及其相关技术的研究进展
分析电镜（analytic electron microscope, AEM）：是一类 不仅可以成像，还可以对样品 微区成分进行定性定量分析的 TEM或SEM。
1945年，Porter,
Claude和Fulan观察到内质
网。 1947年，Porter，Granick，叶绿体。 1950年，Doltond等，高尔基体。 1950年，Callon等，核膜。 1952年，De Dave，溶酶体。 1953年，Palade，核糖体。 50年代初，Palade，Porter等，线粒体。 1958年，Pobertson，单位膜。 1961年，J.Brachet，细胞模式图－超微结 构＋动态观点。 1974年， Palade和Porter获得了Nobel医学 奖
SEM, LVSEM）和扫描低能电
镜（scanning low energy EM, SLEEM） 不导电的生物样品
不需喷镀也可以观察，在低压
时会出现新的二次发射特性和 新的衬度机制。可观察含水样
品超微结构。
电子显微镜及其相关技术的研究进展

扫描隧道电子显微镜（scanning tunneling microscope, STM） ： IBM苏黎世实验室的Binnig、Rohrer等人于1981年发明，获得了


1965年，第一批商用SEM，50～100nm，1万倍。
1968年，A.W.Crewe把场致发射电子源用于SEM ，提高扫描式透 射电镜（STEM）图象分辨率，开创原子成像技术。 二十世纪70年代以后，英国剑桥科学仪器公司、荷兰Philips、 日本的Hitachi和JEOL等不断推出各种型号的SEM ，分辨率已达 到0 .8nm。
电镜样品制备技术日趋完善： TEM超薄切片技术的基础射自显影技术 细胞化学和免疫电镜技术
电子显微镜及其相关技 术的研究进展
SEM常规技术基础上：
生物样品内部结构冷冻割断技术 高分辨扫描电镜技术 管道筑形技术 扫描电镜盐酸化学法
小结
2004年3月31日， FEI公司发布新成果：
在TEM上增加了FEI公司研制的单色器和CESO公司研制 的球差校正器，使加速电压为200kV的透射电镜分辨率提 高到1 Å以下。
在世界上第一次用200kV的透射电镜看1Å以下的样品。
硅原子的热运动、不同晶粒的原子取向
电子显微镜及其相 关技术的研究进展




电子显微镜与细胞超微结构研究
总结：
光学显微镜→ 细胞学产生 电子显微镜＋其他技术→细胞生物学形成和发展 研究方向： 细胞超微结构＋细胞整体活动功能 “细胞生物学”时代
电 镜 样 品 制 备 程 序
超薄切片
(Ultrathin sections, 50~100 nm)
染色
1。醋酸双氧铀染色法
1986年的诺贝尔物理学奖。

1986年美国、日本、 1987年我国研制成功。 原子尺度的高分辨本领，能显示出晶体表面的原子布阵。 观察生物大分子：DNA、RNA、蛋白质、生物膜、病毒
电子显微镜及其相关技术的研究进展
新用途的电镜： 原子力显微镜（atomic force microscope, ATM)：像留声机 1986 Binnig 发表第一张原子力显微图 1989 白春礼研制出中国第一台ATM 可在生理状态下直接观察生物样品的表面结构。对微米至纳 米水平样品表面构造作精确的观察。
观察组织细胞表面形貌。
电 镜 的 观 测 分 辨 率

电子显微镜的发明
1931年，德国物理学家Ruska和Knoll 研制成第一台TEM，13倍 1932年，发表研究成果， “电镜诞 生年”

1934年，Ruska等人使电镜分辨率达 到50nm

1939年，Ruska等在Siemens生产了第 一批商用电镜，10nm，40台
电子显微镜及其相关技术的研究进展
2003年FEI公司发布科学研究和 工业研究分析用“双束”（电子 束＋离子束）工作站。Quanta3D 和Nova NanoLab. SEM和聚焦离子束FIB结合，样品 定位截面加工，拓展了扫描电镜的 应用范围。 生成纳米桥、纳米印记。
电子显微镜及其相关技术的研究进展
电子显微镜及其相关技术的研究进展
超高压电镜（ultrahigh voltage microscope, UTEM） ：加速电压在 500kV以上的TEM，1962年G. Dupouy 教授发明。
可观察活细胞样品，体积庞大，造价
高，难于普及。
电子显微镜及其相关技术的研究进展
低压扫描电镜（low voltage