จุลทรรศน์อิเล็กตรอนและโครงสร้างละเอียดพิเศษ

จุลทรรศน์อิเล็กตรอนใช้ลำแสงอิเล็กตรอนแทนแสงที่มองเห็นได้ในการสร้างภาพตัวอย่าง และเนื่องจากอิเล็กตรอนมีความยาวคลื่นสั้นกว่าแสงมาก จึงสามารถแยกแยะรายละเอียดของเซลล์ได้ไกลเกินขีดจำกัดการเลี้ยวเบนของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง เป็นเทคนิคที่เปิดเผยโครงสร้างละเอียดพิเศษของเซลล์ — สถาปัตยกรรมละเอียดของออร์แกเนลล์และเยื่อหุ้มเซลล์ — และยังคงเป็นรูปแบบอ้างอิงสำหรับคุณลักษณะที่เล็กที่สุดของเซลล์

Definition

จุลทรรศน์อิเล็กตรอนเป็นรูปแบบหนึ่งของจุลทรรศน์ที่ใช้ลำแสงอิเล็กตรอนซึ่งถูกโฟกัสด้วยเลนส์แม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อสร้างภาพขยาย เมื่อนำมาใช้กับเซลล์ จะสามารถแยกแยะโครงสร้างละเอียดพิเศษ — การจัดระเบียบภายในที่ละเอียดของเยื่อหุ้มเซลล์และออร์แกเนลล์ที่ต่ำกว่าความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง

Scope

บทความนี้ครอบคลุมพื้นฐานของการสร้างภาพด้วยอิเล็กตรอนเชิงแสง การเตรียมตัวอย่าง (การตรึง, การฝัง, การตัด, การย้อมด้วยโลหะหนัก) ที่จำเป็นสำหรับการดูเซลล์ และรายละเอียดโครงสร้างละเอียดพิเศษที่วิธีการนี้เปิดเผย บทความนี้ถือว่าจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเป็นวิธีการสร้างภาพภายในชีววิทยาของเซลล์ และไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• เหตุใดลำแสงอิเล็กตรอนจึงสามารถแยกแยะรายละเอียดได้มากกว่าแสงที่มองเห็นได้?
• เซลล์ต้องถูกตรึง ฝัง และย้อมอย่างไรจึงจะสามารถสร้างภาพได้?
• คุณลักษณะโครงสร้างละเอียดพิเศษใดบ้างที่มองเห็นได้ด้วยจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเท่านั้น?
• สิ่งแปลกปลอมจากการเตรียมตัวอย่างใดบ้างที่สามารถบิดเบือนโครงสร้างที่ปรากฏได้?

Key concepts

• การสร้างภาพด้วยลำแสงอิเล็กตรอน
• ความละเอียดที่ต่ำกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบนของแสง
• การตรึงทางเคมี
• การย้อมด้วยโลหะหนักและความหนาแน่นของอิเล็กตรอน
• การตัดบางพิเศษ
• โหมดการส่งผ่านเทียบกับการสแกน
• จุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบไครโอของตัวอย่างที่เป็นแก้ว
• สิ่งแปลกปลอมจากการเตรียมตัวอย่าง

Mechanisms

เนื่องจากกำลังการแยกแยะของกล้องจุลทรรศน์ดีขึ้นเมื่อความยาวคลื่นของรังสีที่ใช้ส่องสว่างสั้นลง ความยาวคลื่นที่สั้นมากของอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งทำให้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสามารถแยกแยะโครงสร้างละเอียดพิเศษระดับนาโนเมตรได้ เซลล์จะต้องถูกทำให้มองเห็นได้และคงที่ในเครื่องมือ: การตรึงทางเคมีช่วยรักษาสภาพโครงสร้าง โดยการตรึงด้วยอัลดีไฮด์ที่นำเสนอโดย Sabatini และคณะ ให้การรักษาสภาพที่ดีทั้งโครงสร้างละเอียดพิเศษและกิจกรรมของเอนไซม์ ในขณะที่การย้อมด้วยโลหะหนักให้ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่สร้างความคมชัด งานของ Palade เกี่ยวกับการตรึงและโครงสร้างละเอียดของไมโทคอนเดรียเป็นตัวอย่างว่าการเตรียมอย่างระมัดระวังทำให้สถาปัตยกรรมของออร์แกเนลล์สามารถตีความได้ จุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบไครโอ (Cryo-electron microscopy) ซึ่งพัฒนาโดย Dubochet และคณะ กลับใช้วิธีการทำให้ตัวอย่างเป็นแก้วเพื่อสร้างภาพในสภาพที่ใกล้เคียงกับธรรมชาติและมีน้ำอยู่ และหลีกเลี่ยงสิ่งแปลกปลอมจากการย้อมและการคายน้ำหลายอย่าง

Clinical relevance

จุลทรรศน์อิเล็กตรอนสนับสนุนพยาธิวิทยาโครงสร้างละเอียดพิเศษเพื่อการวินิจฉัย — ตัวอย่างเช่นในการตีความผลการตรวจชิ้นเนื้อไตและการศึกษาซีเลียและไวรัส — และให้ข้อมูลในการวิจัยกลไกของโรค บทความนี้อธิบายวิธีการสร้างและอ่านภาพโครงสร้างละเอียดพิเศษ; เป็นข้อมูลอ้างอิงเพื่อการศึกษาและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

History

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนซึ่งพัฒนาขึ้นในทศวรรษที่ 1930 ได้ถูกนำมาใช้กับเซลล์ในช่วงกลางศตวรรษและเปลี่ยนแปลงชีววิทยาของเซลล์อย่างรวดเร็ว การศึกษาของ Palade ในช่วงต้นทศวรรษ 1950 เกี่ยวกับการตรึงและโครงสร้างของไมโทคอนเดรียได้กำหนดวิธีการเตรียมและตีความตัวอย่างเซลล์ การตรึงด้วยอัลดีไฮด์ (Sabatini, 1963) ช่วยปรับปรุงการรักษาสภาพโครงสร้างและเอนไซม์ และการนำจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบไครโอมาใช้ (Dubochet, 1988) ในภายหลังทำให้สามารถสร้างภาพวัสดุชีวภาพในสภาพที่เป็นแก้วและใกล้เคียงกับธรรมชาติได้

Debates

ตัวอย่างที่ถูกตรึง ย้อม และตัดเป็นชิ้น แสดงถึงเซลล์ที่มีชีวิตได้อย่างแม่นยำเพียงใด?

การเตรียมตัวอย่างแบบดั้งเดิมเกี่ยวข้องกับการตรึง การคายน้ำ การฝัง และการย้อมด้วยโลหะหนัก ซึ่งแต่ละขั้นตอนสามารถทำให้เกิดสิ่งแปลกปลอมได้ วิธีการไครโอที่ทำให้ตัวอย่างที่มีน้ำอยู่เป็นแก้วได้รับการพัฒนาขึ้นส่วนหนึ่งเพื่อสร้างภาพโครงสร้างที่ใกล้เคียงกับสภาพธรรมชาติมากที่สุด

Key figures

• George Palade
• David Sabatini
• Jacques Dubochet

Seminal works

• palade-1952
• palade-1953
• sabatini-1963
• dubochet-1988

Frequently asked questions

เหตุใดกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจึงสามารถมองเห็นออร์แกเนลล์ที่กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงมองไม่เห็น?

อิเล็กตรอนมีความยาวคลื่นสั้นกว่าแสงที่มองเห็นได้มาก และความละเอียดจะดีขึ้นเมื่อความยาวคลื่นลดลง ดังนั้นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจึงสามารถแยกแยะโครงสร้างละเอียดพิเศษระดับนาโนเมตรที่ต่ำกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบนของแสงได้

เหตุใดเซลล์จึงต้องได้รับการเตรียมเป็นพิเศษสำหรับจุลทรรศน์อิเล็กตรอน?

ตัวอย่างจะต้องถูกตรึง ฝัง ตัดเป็นชิ้นบางพิเศษ และย้อมด้วยโลหะหนักเพื่อให้มีความเสถียรและความคมชัดในลำแสงอิเล็กตรอน หรืออีกทางหนึ่ง วิธีการไครโอจะทำให้ตัวอย่างเป็นแก้วเพื่อรักษาสภาพที่ใกล้เคียงกับธรรมชาติและมีน้ำอยู่