电子显微镜已经发展了近一个世纪，它在整个科学领域的应用已经导致了20和21世纪一些最重要的科学突破。生物学也不例外。特别是对细胞的研究，几十年来一直被来自尖端电子显微镜的数据所增强，而且电子显微镜在细胞方面很可能在未来仍是必不可少的。


什么是电子显微镜？
电子显微镜用一束电子而不是用传统光学显微镜的光子来照亮其对象。因此，这些仪器使我们能够在限制光学显微镜的衍射极限之外研究物质。

因为电子的波长比光子短得多（大约10万倍），所以电子显微镜比光学显微镜明显更强大。

光学显微镜的最低分辨率约为200纳米，放大约2,000倍。另一方面，电子显微镜已经实现了低至50pm的分辨率，将实验对象放大了10,000,000倍。

电子显微镜将磁场操纵成一个确定的形状，使其像光学显微镜中的镜头一样工作。被操纵的磁场中的曲率在与被摄体相互作用后放大了电子，这些数据在设备中被感应和记录。

专业的图像采集器和数码相机用显微镜的数据创建电子显微图。

除了在生物学中的应用，调查只有电子显微镜才能调查的超微结构细胞和生物材料外，该技术在物理学和化学中也有相当大的应用，对蓬勃发展的纳米技术产业也至关重要。

用电子显微镜研究细胞

1945年，电子显微镜首次被用于研究细胞，当时它产生了第一批真核细胞的图像。在这十年内，该技术可用于研究细胞的内部结构，方法是将样品嵌入塑料中以创建超薄切片。

最早使用电子显微镜的细胞研究集中在细胞器上。科学家们可以利用该技术更详细地描述第一个细胞器是线粒体和内质网。

在透射电子显微镜（TEM）发展的早期，科学家们开始开发一种方法，将其用于脑组织和其中的细胞。

后来，在20世纪60年代和70年代，扫描电子显微镜（SEM）成熟到可以可靠地用于细胞和细胞结构的生物检测。

今天，电子显微镜是前沿生物学研究中不可或缺的，帮助科学家们发现一些自然界最微小的过程和配置。

SEM了解高尔基体蛋白如何影响斑马鱼
Giantin，一种高尔基体蛋白，最近被放在SEM设备的电子束下，帮助科学家了解它如何影响斑马鱼的纤毛功能?？蒲Ъ颐鞘褂肧EM对小鱼一样的鱼类的嗅坑神经上皮纤毛进行了成像。

利用扫描电镜，研究小组可以确定高尔基体家族中最大的蛋白--巨噬蛋白如何影响纤毛的形成。当巨素存在时，斑马鱼在其附近的敲除细胞中形成球状而不是光滑的纤毛尖端。

使用SEM找出碳纳米管处理对人类巨噬细胞的影响
在另一个电子显微镜有助于开拓生物和细胞研究的例子中，最近的一项研究利用SEM找出了人类巨噬细胞对碳纳米管处理的反应。

肺泡巨噬细胞从肺部的肺泡区域清除外来颗粒或微生物。这些巨噬细胞首先对细胞受到的威胁作出反应，通过从该区域清除异物来保卫它们。

为了用SEM对这些巨噬细胞进行成像，研究人员首先必须用乙醇对它们进行脱水。然后，他们被密封并用电子溅射涂层。

SEM图像显示，未经处理的巨噬细胞是球形的，与经过处理的巨噬细胞相比，其膜褶皱和丝状体较少，激活了大量的丝状体，而且更扁平。

生物学家从这些图像中确定，长的碳纳米管会影响巨噬细胞的功能，而短的则不会。他们可以得出结论，接触碳纳米管激活了巨噬细胞的生物活性，同时也使吞噬细菌的效率降低。

光学显微镜被取代了吗？
虽然电子显微镜已被证明对调查细胞非常有用，但有几个因素仍使光学显微镜更适合于特定的研究或项目。

与电子显微镜相比，光学显微镜在设置和获取结果方面要简单和快速得多。所涉及的样品准备工作最少，而且所需的准备工作也不是非常复杂。

光学显微镜的价格也比电子显微镜低得多?？煽康牡缱酉晕⒕敌枰偻蛎涝耐蹲剩玫墓庋晕⒕抵恍杓赴倜涝涂梢月虻?。

这意味着光学显微镜仍然与电子显微镜一起发挥着作用，使世界各地的大学和学校教室能够对细胞进行更多的调查。

参考资料

Bergen, D.J.M. (2017). The Golgi matrix protein giantin is required for normal cilia function in zebrafish. Biology Open. https://doi.org/10.1242/bio.025502.

Pilkington, B. (2021). A History of Electron Microscopy and the Future of the Industry. [Online] AZO Optics. Available at: https://www.azooptics.com/article.aspx?ArticleID=1981 (Accessed on 22 July 2022).

Scanning Electron Microscope Cell Images. [Online] Thermo FIsher. Available at: https://www.thermofisher.com/uk/en/home/materials-science/learning-center/applications/scanning-electron-microscopy-cell-biology-research.html (Accessed on 22 July 2022).

Sweeney, S., et al. (2015). Functional consequences for primary human alveolar macrophages following treatment with long, but not short, multiwalled carbon nanotubes. International Journal of Nanomedicine. https://doi.org/10.2147%2FIJN.S77867.

Written by

Ben Pilkington