扫描电子显微镜在生物学领域的应用

KYKY中科科仪

2023.7.17

作者中科科仪

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扫描电子显微镜的出现为人类探寻微观世界的奥秘提供了新方法、新手段。与光学显微镜相比，扫描电子显微镜具有高分辨、大景深、对样品的损伤小、污染轻等优点，在基础科学研究、生产工艺控制、新材料、新能源、生命科学、材料科学、生物学等领域有十分广阔的应用。本文着重介绍扫描电子显微镜在生物学领域的应用，从孢粉学、硅藻检验、生物医学方面进行阐述分析。

孢粉学

自然界中植物种类繁多，开花植物也很多，不同类型的植物花粉会具有独特而稳定的形态特征，但是同属植物的花粉形态往往具有很高的相似性，所以孢粉学研究在植物分类学方面具有重要的参考价值。不同种间花粉形态具有一定差异，利用扫描电镜观察花粉形态大小、萌发沟以及外壁表面纹饰，对种间划分具有重要分类学意义。

通过扫描电子显微镜可以清楚地看到花粉表面形态、形状、细节特征，例如莲花花粉在扫描电镜下为三沟型花粉，形状呈椭球形且表面分布有细密的刺状凸起；百合科叶花粉粒均呈舟形，远极单萌发沟；柠檬种质花粉形花粉外观形态为近球形、长球形和扁球形；白花油茶花粉总体呈长球形，具三( 拟) 孔沟，外壁纹饰为穴网状，这些是光学显微镜无法做到的。利用扫描电子显微镜明晰植物花粉的形态差异性可为植物的系统进化、分类及亲缘关系研究奠定一定的理论基础。

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图1：花粉

硅藻检验

扫描电镜具有高分辨率、大景深、对样品无损等优异性能，并可以与X-射线能谱仪联用，使其能够快速对微小物质的表面形貌及微区成分进行全面分析，从而为法医学提供客观依据，为刑侦鉴定提供线索。

利用扫描电镜对于人体组织、毛发、植物残片、硅藻、花粉、昆虫、微生物等生物进行检验鉴定，不会破坏物证的原始形态，可用于判断死亡时间，为案件分析提供线索。硅藻检验法在法医学溺死诊断中具有重要意义，通过扫描电镜观察硅藻的形态及类型能够查出水域所在位置，若在衣物上发现异常类型的硅藻则可说明尸体被移动过。此外，还可以利用扫描电镜对案件现场出现的射击残留物、玻璃、汽车涂料、花粉、橡胶、塑料、纤维、毛发、金属、土壤等种类繁多的微量物证进行检验，是刑侦鉴定、法庭科学必不可少的分析手段。

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图2：硅藻

生物医学

材料的微观结构决定着材料的宏观性质，掌握微观信息对医学工作者而言十分必要。扫描电子显微技术的应用能从微纳米尺度分析外科植入物的结构和化学组成，解析细胞结构、细胞亚结构、细胞超微结构以及病毒结构形态，是外科植入、病理分析等不可或缺的研究手段。

扫描电镜结合能谱仪不仅能得到样品的结构与形貌图，还能在微纳米尺度下进行三维重构，并能给出相应的化学信息以及样品表面的元素分析。例如利用扫描电镜观察肺组织的立体结构变化，特别是肺泡结构的形态变化，是研究高致病性侵害肺脏组织的机理的新途径。扫描电镜下的异型癌细胞显示树突状，表面粗糙，且有形态各异的突起，细胞体积较大。根据细胞的超微结构变化，结合细胞的分子表达和免疫活性等生物学特性，可以为癌症防治、靶向药物、治疗手段的研究提供强有利的帮助。

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图3：细胞

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图4：病毒

扫描电子显微镜是前沿科学研究必备的仪器设备，被科技日报列为国家35项关键“卡脖子”技术之一。以上所有观测图均使用KYKY系列扫描电子显微镜拍摄，帮助用户更加直观、便捷、智能地进行生物学研究。近年来，中科科仪陆续推出场发射枪系列扫描电子显微镜，性能指标达到国际先进水平，已广泛应用于材料科学、生命科学、航天航空、环境保护、半导体制造等领域。同时，中科科仪积极响应国家政策和市场需求，研制多样化的高端仪器，为科研及产业客户提供定制化解决方案，解决高端仪器装备的“卡脖子”问题，助力打赢科技仪器设备国产化攻坚战！