电子显微镜和超微结构

电子显微镜使用电子束而非光线对组织成像，可实现更高的分辨率，并揭示精细结构——细胞器、膜和大分子排列——统称为超微结构。由于电子的波长远短于可见光，该技术可分辨远低于光学显微镜极限的细节。

Definition

电子显微镜是一种利用电子束成像以实现纳米级分辨率的显微技术；超微结构是指在此分辨率下揭示的精细细胞和组织细节——细胞器和大分子成分。

Scope

本主题涵盖了电子显微镜实现高分辨率的原因、其所需的特殊样本制备（精细固定、树脂包埋、超薄切片、重金属染色），以及透射和扫描模式之间的区别。它是一个方法学参考，不提供临床解释指导。

Core questions

• 为什么电子束能分辨比可见光精细得多的细节？
• 组织进行电子显微镜检查需要哪些特殊制备？
• 透射电子显微镜和扫描电子显微镜在显示内容上有何不同？
• 在对比度较低的生物样本中如何产生对比度？

Key concepts

• 分辨率和电子波长
• 透射电子显微镜 (TEM)
• 扫描电子显微镜 (SEM)
• 戊二醛和锇固定
• 树脂包埋和超薄切片
• 重金属染色（铀酰、铅）
• 超微结构解释

Mechanisms

由于电子的波长远短于可见光，电子束可以分辨纳米级的结构，远超光学显微镜的衍射极限。为了承受真空和电子束并保存精细结构，组织需要在严苛条件下进行固定——通常是醛固定，然后是四氧化锇固定，这建立在Sabatini及其同事（Sabatini, 1963）表征的醛固定化学基础上——然后包埋在树脂中并切成超薄切片。生物材料对电子的散射较弱，因此通过重金属盐染色来增强对比度；高pH值的柠檬酸铅成为用于此目的的标准电子致密染料（Reynolds, 1963）。在透射电子显微镜中，电子穿过薄切片形成内部结构的图像，而在扫描电子显微镜中，电子束在样本表面扫描，检测到的信号构建出三维外观的表面图像。这些原理和技术已在标准参考文献中得到巩固（Bozzola & Russell, 1999; Hayat, 2000）。

Clinical relevance

超微结构检查有助于细胞生物学研究以及诊断病理学中精细结构具有信息价值的特定领域。本条目从概念上解释了这些方法；它描述了超微图像是如何产生的，而不是个体诊断或治疗决策的基础。

Evidence & guidelines

电子显微镜样本制备和成像已在成熟的方法学参考文献中得到巩固（Bozzola & Russell, 1999; Hayat, 2000），这些方法建立在醛固定（Sabatini, 1963）和重金属染色（Reynolds, 1963）的基础性原始工作之上。

History

电子显微镜于20世纪30年代开发，并在20世纪中叶应用于生物组织，当时制备方法已能保存精细结构。醛固定被表征用于超微结构保存（Sabatini, 1963），而标准化的重金属染色，如雷诺兹的柠檬酸铅（Reynolds, 1963），提供了解释细胞超微结构所需的对比度，使电子显微镜成为现代细胞生物学的基础。

Key figures

• David Sabatini
• Edward Reynolds

Seminal works

• sabatini-1963
• reynolds-1963

Frequently asked questions

为什么电子显微镜比光学显微镜能分辨更多细节？

分辨率受成像辐射波长的限制；电子的波长远短于可见光，因此电子束可以分辨比光学显微镜小得多的结构。

透射电子显微镜和扫描电子显微镜有什么区别？

透射电子显微镜使电子穿过超薄切片以成像内部结构，而扫描电子显微镜则在样本表面扫描电子束并检测发射信号以成像表面形貌。