《生物電子顯微鏡技術》課程教學與實踐

黃吉雷 劉傳荷 倫璇

摘要：《生物電子顯微鏡技術》是面向研究生開放的一門實用性強的實驗課程。本文從理論授課和實驗兩方面淺談生物電子顯微鏡課程的設置和教學方案。理論授課時采用比較的方法講授電子顯微鏡的基礎知識，重點突出電子顯微鏡生物制樣技術，跟進電鏡領域技術新進展，學生自主學習和理論與實踐相結合等教學方案；并設置一半學時為實驗課，使學生切實學到電子鏡顯微鏡理論知識和掌握電子顯微鏡應用技術。

關鍵詞：生物；電子顯微鏡；教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）19-0166-02

一、引言

透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡用于觀察樣品的超顯微形貌，被廣泛應用于生物、基礎醫學、農業、林業、環境和材料等領域，涉及的專業知識主要包括細胞生物學和材料學。近年來，隨著國家和各級政府對高校基礎研究的投入加大，電子顯微鏡在各個高校逐漸普及，很多高校和科研院所成立電子顯微鏡中心，并針對本科生和研究生開設電子顯微鏡課程[1-4]。作為一所綜合性院校，專業多且范圍廣，應用到電子顯微鏡的專業包括生物、農學、林學、環境科學、食品、獸醫、動物科學和材料等專業。這些專業跨度較大，應根據學生的專業和基礎知識在理論授課時對部分內容有所側重。經過多年的上課經驗和電鏡中心工作的實踐經驗，本文從理論和實驗兩部分淺談《生物電子顯微鏡技術》課程教學和實踐的幾點理解。

二、理論課部分

1.采用比較的方法講授電子顯微鏡基礎知識。電子顯微鏡的結構與原理是電子顯微鏡課程最基礎的知識，它涉及光學、電磁學和機械學等方面的知識，內容相對枯燥且艱深。因此，如何通俗易懂地講好這部分內容，讓學生易于理解是關鍵。筆者認為可從顯微鏡的發展歷史講起，從普通的光學顯微鏡到熒光顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡，以阿貝公式為基礎，強調波長是決定顯微鏡分辨率的最主要因素。光學顯微鏡與電子顯微鏡最大的區別是光源的不同。電子顯微鏡的光源是電子，其波長遠比光學顯微鏡的光源小，使得其分辨率遠高于光學顯微鏡。而正是由于光源的不同，使得電子顯微鏡和光學顯微鏡的鏡體結構有著巨大的差別[5]。利用比較分析的方法，由學生相對的熟悉的光學顯微鏡講起并作為比較，分析電子顯微鏡與光學顯微鏡的主要區別，使學生更容易理解。

2.生物樣品電鏡制樣方法是重點內容。生物樣品的電鏡制樣方法是《生物電子顯微鏡技術》課程最重要的部分，在教學時要重點突出。透射電鏡生物樣品制樣步驟包括取材固定、緩沖液漂洗、脫水、樹脂滲透和包埋等步驟，掃描電鏡生物樣品制樣步驟包括取材固定、緩沖液漂洗、脫水、干燥和金屬鍍膜等步驟。其中第一步取材固定最為關鍵。要求學生理解戊二醛、多聚甲醛、鋨酸和高錳酸鉀這幾種固定液固定的基本原理。取材時根據樣品的材質和實驗目的不同而采用不同的固定方法和固定液，比如取腦部神經組織采用灌流固定方法效果較好；免疫金標記宜用多聚甲醛固定，因為戊二醛和鋨酸對蛋白的抗原性破壞性極大；有細胞壁的樣品固定時需要在戊二醛中加入多聚甲醛。此外，生物電鏡制樣所用的試劑如戊二醛、多聚甲醛、鋨酸、丙酮、環氧樹脂等試劑是有毒致癌物，在授課時也需要強調如何安全使用這些試劑以及廢棄試劑如何保存和處理。

由于本課程面向生物、農學、林學、環境科學、食品、獸醫、動物科學和材料等專業學生開放，大部分專業的學生完全沒有細胞生物學知識。而生物電鏡觀察需要學生會認識樣品的組織結構和細胞內各種細胞器，如細胞核、線粒體、高爾基體、內質網、葉綠體等重要細胞器。因此，這一部分內容除了要講授電子顯微鏡生物制樣技術，也需要向學生講授與電鏡相關的細胞生物學知識。可以從電鏡中心的客戶圖片中挑選一些典型動植物細胞圖片給學生展示，如模式植物擬南芥和水稻的根、莖、葉的細胞圖片，模式動物小鼠各個細胞器如心臟、肝臟、腎臟、大腦和小腦等器官的細胞圖片等。同時展示各類細胞器病變的圖片作為比較，使學生了解基本的細胞生物學知識，為日后的電鏡觀察做理論知識儲備。

3.跟進電子顯微鏡領域技術新進展。電子顯微鏡技術發展日新月異，從2013年開始爆發的單顆粒冷凍電鏡，近年逐漸熱門的高壓冷凍制樣、聚焦離子束三維重構、斷層攝影術、光鏡與電鏡聯用等技術被廣泛應用。每一項技術都給生物領域帶來深遠影響，利用這些新技術得到的研究結果甚至推翻之前的認知。授課時，即使本校還沒有購置與新電鏡技術相關的電鏡設備，也建議向學生講授新一些電鏡技術知識，開拓學生視野，拓寬學生研究思路。

4.學生自主學習。《生物電子顯微鏡技術》是一門應用性強的課程，授課對象是需要用電鏡作為研究工具的研究生，學生已經具備一定的研究基礎。可以設置一些與電鏡相關的主題，如單顆粒冷凍電鏡、電子斷層攝影術、免疫金標記、電鏡與激光共聚焦顯微鏡聯用等主題，這些技術都是學生在實際研究中會用到，與學生自己的課題高度相關，安排幾個學生一組，每組選不同主題，查閱相關文獻和制作PPT，做5—10分鐘的報告。學生通過自己查閱文獻和做報告，可以加深對該內容的理解，同時也鍛煉學生表達能力和做報告的能力。

5.理論與實踐相結合。《生物電子顯微鏡技術》課程是為了配合學校電鏡中心所開設的課程，目的不僅是讓學生掌握電鏡知識和電鏡制樣技術，同時也是電鏡中心提供給學生的一次電鏡培訓，為日后學生使用電鏡提供理論知識以及簡單的電鏡生物制樣和電鏡操作培訓。授課老師可根據電鏡中心接待客戶遇到的實際問題，如經常有老師或者學生隨手折取一段樹枝到電鏡中心要求制樣，此時樣品的細胞器已經降解，超微結構完全破壞。這要求學生要有意識的事先到電鏡平臺與老師溝通，學會如何在野外對樣品進行初步固定和保存。最需要的強調的一點，是讓學生在電鏡制樣之前查閱與實驗目的相關的文獻，與電鏡中心的老師商討樣品的制樣方法，才能得到滿意的實驗結果。

三、實驗部分

《生物電子顯微鏡技術》是一門實驗課程，目的是讓學生掌握透射電鏡和掃描電鏡常規的生物制樣方法，以及簡單的電鏡操作。本課程一般設一半學時為實驗部分。無論是透射電鏡生物制樣還是掃描電鏡生物制樣，每一個步驟都有課本沒有提到的注意事項和實驗技巧，需要在實際操作時經過老師的講授才能掌握。因此，建議每個學生準備與自己課題相關的樣品，進行一次透射電鏡和掃描電鏡生物制樣。學生通過親自動手做實驗，掌握透射電鏡取材固定、脫水、滲透、包埋和超薄切片以及掃描的取材和固定、脫水、干燥和金屬鍍膜的原理和實際操作方法。在電鏡觀察前，利用電鏡實物向學生介紹透射電鏡和掃描電鏡的構造，加深所學到的電鏡原理和結構知識。

四、展望

近年來，學校新增材料與能源專業，電鏡中心接收越來越多的材料樣品，選修《生物電子顯微鏡技術》課程的材料學專業的學生也大幅增加。這對授課老師提出了新的要求，《生物電子顯微鏡技術》不能局限于講授生物方面的電鏡知識，需要老師對授課內容、課程設置、實驗安排進行相應調整，加入與材料相關的電鏡知識和實驗。既要滿足學校大部分學生和課題組對生物電鏡技術的要求，也要考慮到新增材料學專業學生的要求。此外，電子顯微鏡技術的發展越來越快，電鏡產品公司經常推出新產品，發展新的技術，因此可以安排部分學時邀請電鏡產品的應用工程師給學生做報告，對最新技術和產品進行宣講，使老師和學生同時了解最新的電鏡技術。

參考文獻：

[1]翟少華，王金泉，張曉紅，等.電子顯微鏡技術在農業高等院校教學中的應用[J].教育教學論壇，2014，（5）：69-71.

[2]李明芳，王曉崗，許新華，等.透射電子顯微鏡用于實驗教學中的幾個重要環節[J].實驗室科學，2015，18（4）：49-52.

[3]張曉麗，張江蘭.多種教學方式在電子顯微鏡教學中的應用[J].張家口職業技術學院學報，2014，（4）：79-80.

[4]朱昌來，周欣陽，王瑩潔，等.《生物醫學電子顯微鏡技術》課程教學初探[J].吉林醫學，2013，34（28）：5975-5976.

[5]張景強，樸英杰.生物電子顯微技術[M].第二版.廣州：中山大學出版社，1993：45-46.