电子显微镜和超微结构

电子显微镜使用电子束而非可见光来对样本成像，由于电子的波长远短于光，它能够分辨出远低于光学显微镜衍射极限的细胞细节。这项技术揭示了细胞的超微结构——细胞器和膜的精细结构——并且仍然是细胞最小特征的参考模式。

Definition

电子显微镜是一种显微镜形式，它利用电磁透镜聚焦的电子束来形成放大图像；应用于细胞时，它能分辨出超微结构——低于光学显微镜分辨率的膜和细胞器的精细内部组织。

Scope

本条目涵盖了电子光学成像的基础、观察细胞所需的样本制备（固定、包埋、切片、重金属染色），以及该方法所揭示的超微结构细节。它将电子显微镜视为细胞生物学中的一种成像方法，而非临床指导。

Core questions

• 为什么电子束比可见光能分辨出更多细节？
• 细胞必须如何固定、包埋和染色才能成像？
• 哪些超微结构特征只能通过电子显微镜才能看到？
• 哪些制备伪影会扭曲表观结构？

Key concepts

• 电子束成像
• 低于光衍射极限的分辨率
• 化学固定
• 重金属染色和电子密度
• 超薄切片
• 透射与扫描模式
• 玻璃化样本的冷冻电子显微镜
• 制备伪影

Mechanisms

由于显微镜的分辨能力随着照明辐射波长的缩短而提高，加速电子的极短波长使得电子显微镜能够分辨纳米尺度的超微结构。细胞必须在仪器中变得可见且稳定：化学固定可以保存结构，其中Sabatini及其同事引入的醛固定能够很好地保存超微结构和酶活性，而重金属染色则提供产生对比度的电子密度。Palade在固定和线粒体精细结构方面的工作，展示了细致的制备如何使细胞器结构变得可解释。由Dubochet及其同事开发的冷冻电子显微镜，则通过玻璃化样本来在接近天然、水合的状态下成像，并避免了许多染色和脱水伪影。

Clinical relevance

电子显微镜支持诊断性超微结构病理学——例如在肾活检解释以及纤毛和病毒研究中——并为疾病机制研究提供信息。本条目描述了超微结构图像是如何产生和解读的；它具有参考教育意义，而非个体诊断或治疗决策的基础。

History

电子显微镜在20世纪30年代开发出来，并在世纪中叶应用于细胞研究，迅速改变了细胞生物学。Palade在20世纪50年代早期对固定和线粒体结构的研究确立了如何制备和解释细胞样本，醛固定（Sabatini，1963）改善了结构和酶的保存，随后引入的冷冻电子显微镜（Dubochet，1988）使得生物材料能够在玻璃化、接近天然的状态下成像。

Debates

固定、染色、切片的样本在多大程度上能忠实地代表活细胞？

传统制备涉及固定、脱水、包埋和重金属染色，每一步都可能引入伪影；玻璃化水合样本的冷冻方法部分是为了以更接近其天然状态的方式成像结构而开发的。

Key figures

• George Palade
• David Sabatini
• Jacques Dubochet

Seminal works

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

Frequently asked questions

为什么电子显微镜能看到光学显微镜看不到的细胞器？

电子的波长远短于可见光，分辨率随波长减小而提高，因此电子显微镜能分辨出低于光衍射极限的纳米尺度超微结构。

为什么细胞必须为电子显微镜进行特殊制备？

样本必须经过固定、包埋、切成超薄切片并用重金属染色，以在电子束中提供稳定性和对比度；或者，冷冻方法将样本玻璃化以保留接近天然、水合的状态。