《生物电子显微镜技术》课程教学与实践

黄吉雷 刘传荷 伦璇

摘要：《生物电子显微镜技术》是面向研究生开放的一门实用性强的实验课程。本文从理论授课和实验两方面浅谈生物电子显微镜课程的设置和教学方案。理论授课时采用比较的方法讲授电子显微镜的基础知识，重点突出电子显微镜生物制样技术，跟进电镜领域技术新进展，学生自主学习和理论与实践相结合等教学方案；并设置一半学时为实验课，使学生切实学到电子镜显微镜理论知识和掌握电子显微镜应用技术。

关键词：生物；电子显微镜；教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）19-0166-02

一、引言

透射电子显微镜和扫描电子显微镜用于观察样品的超显微形貌，被广泛应用于生物、基础医学、农业、林业、环境和材料等领域，涉及的专业知识主要包括细胞生物学和材料学。近年来，随着国家和各级政府对高校基础研究的投入加大，电子显微镜在各个高校逐渐普及，很多高校和科研院所成立电子显微镜中心，并针对本科生和研究生开设电子显微镜课程[1-4]。作為一所综合性院校，专业多且范围广，应用到电子显微镜的专业包括生物、农学、林学、环境科学、食品、兽医、动物科学和材料等专业。这些专业跨度较大，应根据学生的专业和基础知识在理论授课时对部分内容有所侧重。经过多年的上课经验和电镜中心工作的实践经验，本文从理论和实验两部分浅谈《生物电子显微镜技术》课程教学和实践的几点理解。

二、理论课部分

1.采用比较的方法讲授电子显微镜基础知识。电子显微镜的结构与原理是电子显微镜课程最基础的知识，它涉及光学、电磁学和机械学等方面的知识，内容相对枯燥且艰深。因此，如何通俗易懂地讲好这部分内容，让学生易于理解是关键。笔者认为可从显微镜的发展历史讲起，从普通的光学显微镜到荧光显微镜和激光共聚焦显微镜，以阿贝公式为基础，强调波长是决定显微镜分辨率的最主要因素。光学显微镜与电子显微镜最大的区别是光源的不同。电子显微镜的光源是电子，其波长远比光学显微镜的光源小，使得其分辨率远高于光学显微镜。而正是由于光源的不同，使得电子显微镜和光学显微镜的镜体结构有着巨大的差别[5]。利用比较分析的方法，由学生相对的熟悉的光学显微镜讲起并作为比较，分析电子显微镜与光学显微镜的主要区别，使学生更容易理解。

2.生物样品电镜制样方法是重点内容。生物样品的电镜制样方法是《生物电子显微镜技术》课程最重要的部分，在教学时要重点突出。透射电镜生物样品制样步骤包括取材固定、缓冲液漂洗、脱水、树脂渗透和包埋等步骤，扫描电镜生物样品制样步骤包括取材固定、缓冲液漂洗、脱水、干燥和金属镀膜等步骤。其中第一步取材固定最为关键。要求学生理解戊二醛、多聚甲醛、锇酸和高锰酸钾这几种固定液固定的基本原理。取材时根据样品的材质和实验目的不同而采用不同的固定方法和固定液，比如取脑部神经组织采用灌流固定方法效果较好；免疫金标记宜用多聚甲醛固定，因为戊二醛和锇酸对蛋白的抗原性破坏性极大；有细胞壁的样品固定时需要在戊二醛中加入多聚甲醛。此外，生物电镜制样所用的试剂如戊二醛、多聚甲醛、锇酸、丙酮、环氧树脂等试剂是有毒致癌物，在授课时也需要强调如何安全使用这些试剂以及废弃试剂如何保存和处理。

由于本课程面向生物、农学、林学、环境科学、食品、兽医、动物科学和材料等专业学生开放，大部分专业的学生完全没有细胞生物学知识。而生物电镜观察需要学生会认识样品的组织结构和细胞内各种细胞器，如细胞核、线粒体、高尔基体、内质网、叶绿体等重要细胞器。因此，这一部分内容除了要讲授电子显微镜生物制样技术，也需要向学生讲授与电镜相关的细胞生物学知识。可以从电镜中心的客户图片中挑选一些典型动植物细胞图片给学生展示，如模式植物拟南芥和水稻的根、茎、叶的细胞图片，模式动物小鼠各个细胞器如心脏、肝脏、肾脏、大脑和小脑等器官的细胞图片等。同时展示各类细胞器病变的图片作为比较，使学生了解基本的细胞生物学知识，为日后的电镜观察做理论知识储备。

3.跟进电子显微镜领域技术新进展。电子显微镜技术发展日新月异，从2013年开始爆发的单颗粒冷冻电镜，近年逐渐热门的高压冷冻制样、聚焦离子束三维重构、断层摄影术、光镜与电镜联用等技术被广泛应用。每一项技术都给生物领域带来深远影响，利用这些新技术得到的研究结果甚至推翻之前的认知。授课时，即使本校还没有购置与新电镜技术相关的电镜设备，也建议向学生讲授新一些电镜技术知识，开拓学生视野，拓宽学生研究思路。

4.学生自主学习。《生物电子显微镜技术》是一门应用性强的课程，授课对象是需要用电镜作为研究工具的研究生，学生已经具备一定的研究基础。可以设置一些与电镜相关的主题，如单颗粒冷冻电镜、电子断层摄影术、免疫金标记、电镜与激光共聚焦显微镜联用等主题，这些技术都是学生在实际研究中会用到，与学生自己的课题高度相关，安排几个学生一组，每组选不同主题，查阅相关文献和制作PPT，做5—10分钟的报告。学生通过自己查阅文献和做报告，可以加深对该内容的理解，同时也锻炼学生表达能力和做报告的能力。

5.理论与实践相结合。《生物电子显微镜技术》课程是为了配合学校电镜中心所开设的课程，目的不仅是让学生掌握电镜知识和电镜制样技术，同时也是电镜中心提供给学生的一次电镜培训，为日后学生使用电镜提供理论知识以及简单的电镜生物制样和电镜操作培训。授课老师可根据电镜中心接待客户遇到的实际问题，如经常有老师或者学生随手折取一段树枝到电镜中心要求制样，此时样品的细胞器已经降解，超微结构完全破坏。这要求学生要有意识的事先到电镜平台与老师沟通，学会如何在野外对样品进行初步固定和保存。最需要的强调的一点，是让学生在电镜制样之前查阅与实验目的相关的文献，与电镜中心的老师商讨样品的制样方法，才能得到满意的实验结果。

三、实验部分

《生物电子显微镜技术》是一门实验课程，目的是让学生掌握透射电镜和扫描电镜常规的生物制样方法，以及简单的电镜操作。本课程一般设一半学时为实验部分。无论是透射电镜生物制样还是扫描电镜生物制样，每一个步骤都有课本没有提到的注意事项和实验技巧，需要在实际操作时经过老师的讲授才能掌握。因此，建议每个学生准备与自己课题相关的样品，进行一次透射电镜和扫描电镜生物制样。学生通过亲自动手做实验，掌握透射电镜取材固定、脱水、渗透、包埋和超薄切片以及扫描的取材和固定、脱水、干燥和金属镀膜的原理和实际操作方法。在电镜观察前，利用电镜实物向学生介绍透射电镜和扫描电镜的构造，加深所学到的电镜原理和结构知识。

四、展望

近年来，学校新增材料与能源专业，电镜中心接收越来越多的材料样品，选修《生物电子显微镜技术》课程的材料学专业的学生也大幅增加。这对授课老师提出了新的要求，《生物电子显微镜技术》不能局限于讲授生物方面的电镜知识，需要老师对授课内容、课程设置、实验安排进行相应调整，加入与材料相关的电镜知识和实验。既要满足学校大部分学生和课题组对生物电镜技术的要求，也要考虑到新增材料学专业学生的要求。此外，电子显微镜技术的发展越来越快，电镜产品公司经常推出新产品，发展新的技术，因此可以安排部分学时邀请电镜产品的应用工程师给学生做报告，对最新技术和产品进行宣讲，使老师和学生同时了解最新的电镜技术。

参考文献：

[1]翟少华，王金泉，张晓红，等.电子显微镜技术在农业高等院校教学中的应用[J].教育教学论坛，2014，（5）：69-71.

[2]李明芳，王晓岗，许新华，等.透射电子显微镜用于实验教学中的几个重要环节[J].实验室科学，2015，18（4）：49-52.

[3]张晓丽，张江兰.多种教学方式在电子显微镜教学中的应用[J].张家口职业技术学院学报，2014，（4）：79-80.

[4]朱昌来，周欣阳，王莹洁，等.《生物医学电子显微镜技术》课程教学初探[J].吉林医学，2013，34（28）：5975-5976.

[5]张景强，朴英杰.生物电子显微技术[M].第二版.广州：中山大学出版社，1993：45-46.