論述了電子顯微鏡的發展現狀和歷史，介紹了幾種先進的電子顯微鏡的結構、原理及其在生物學領域的應用，並討論了它們在組織學研究中的應用。關鍵詞:電子顯微鏡；組織學研究簡介:顯微術是壹種專門用於物質微小區域的化學成分分析、顯微形態觀察和微觀結構測定的顯微分析技術。20世紀30年代，透射電子顯微鏡的發明標誌著電子顯微技術的誕生，人們可以進壹步研究物質的超微結構。電子顯微技術在普通光學顯微技術的基礎上進壹步拓寬了人們的觀察視野，在各個領域發揮了重要作用，在科學領域得到了廣泛的應用。在生物學研究領域，電子顯微技術促進了組織學、細胞生物學、分子生物學等學科的發展，因此具有不可替代的崇高地位。
壹、電子顯微鏡技術
1.1電子顯微鏡的定義和組成，簡稱電子顯微鏡，是根據電子光學原理，用電子束和電子透鏡代替光束和光學透鏡，使物質的精細結構以極高的放大率成像的儀器[1]電子顯微鏡由鏡筒、真空裝置和電源櫃三部分組成。鏡筒主要由電子源、電子透鏡、樣品架、熒光屏和探測器組成，通常自上而下組裝成壹列。①電子透鏡:用於聚焦電子，是電子顯微鏡鏡筒中最重要的部件。壹般用磁性鏡頭，有時用靜電鏡頭。它利用壹個與鏡筒軸線對稱的空間電場或磁場，使電子軌跡向軸線彎曲形成焦點，其作用與光學顯微鏡中的光學透鏡(凸透鏡)聚焦光束的作用相同，故稱電子透鏡。光學鏡頭的焦距是固定的，而電子鏡頭的焦距是可以調節的，所以電子顯微鏡不像光學顯微鏡那樣有可移動的透鏡系統。大多數現代電子顯微鏡使用電磁透鏡，非常穩定的DC激勵電流通過帶極靴的線圈產生的強磁場聚焦電子。②電子源:由釋放自由電子的陰極、加速電子的柵極和環形陽極組成。陰極和陽極之間的電壓差必須非常高，通常在幾千伏到三百萬伏之間。它能發射並形成速度均勻的電子束，因此要求加速電壓的穩定性不低於萬分之壹。③樣品架:樣品可以穩定地放置在樣品架上。此外，經常有裝置可以用來改變樣品(如移動、旋轉、加熱、冷卻、拉伸等。).(4)探測器:用於采集電子信號或二次信號。
1.2基本原理不同類型的電子顯微鏡成像原理不同，但都是利用電磁場來偏轉和聚焦電子束，然後根據電子與物質相互作用的原理來研究物質的結構。其中，透射電子顯微鏡產生的電子束被聚光鏡會聚，均勻地照射到樣品上的待觀察區域，入射電子與樣品物質相互作用。由於樣品很薄，大部分電子穿透樣品，其強度分布與被觀察樣品區域的形貌、組織、結構壹壹對應。從樣品投射的電子被三級磁透鏡放大，投射到觀察圖案的熒光屏上，熒光屏將電子強度分布轉換為人眼可見的光強分布，從而在熒光屏上顯示出與樣品的形態、組織和結構相對應的圖像。掃描電子顯微鏡(SEM)用線圈驅動的聚焦電子束對樣品表面進行逐點掃描成像，成像信號為二次電子、背散射電子或吸收電子。二次電信號被探測器采集並轉換成電信號，處理後得到反應樣品表面形貌的二次電子圖像。背散射電子成像反映了樣品的元素分布和不同相組成區域的輪廓。此外，由於電子的德布羅意波長較短，分辨率遠高於光學顯微鏡，可達0.1 ~ 0.2 nm，放大倍數從數萬倍到數百萬倍。
1.3技術發展史世界上第壹臺透射電子顯微鏡(TEM)是由德國科學家魯斯卡和諾爾於1931年研制成功的。二戰後，魯斯卡繼續研究和改進TEM，制成了放大倍數超過654.38+萬倍的顯微鏡，並因此獲得了諾貝爾物理學獎。英國工程師查爾斯在TEM的基礎上，於1952年發明了世界上第壹臺掃描電子顯微鏡(SEM)。掃描電子顯微鏡主要用於觀察高度差和粗糙度較大的厚樣品，因此在設計上突出了景深效果，壹般用於分析斷口和自然表面，無需人工處理。然而，透射電子顯微鏡(TEM)突出了高分辨率。用TEM觀察樣品可以獲得高分辨率的超微結構圖像，在材料科學和生物學中有著廣泛的應用，也是病理學的診斷工具。這項技術的關鍵是超薄切片的制備。之後，場發射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)、場離子顯微鏡(FIM)、低能電子衍射(LEED)、俄歇能譜儀(AES)、光電子能譜儀(ESCA)相繼誕生，在各個科學領域的研究中發揮了重要作用。1981年，G. Binnig和H. Rohrer成功研制出世界上第壹臺掃描隧道顯微鏡(STM)，獲得諾貝爾物理學獎。它的出現使人類首次能夠實時觀察到單個原子在物質表面的排列以及與表面電子行為相關的物理化學性質，被國際科學界公認為80年代世界十大科技成果之壹。掃描隧道顯微鏡(STM)是壹種新型儀器，它利用導體針尖與樣品之間的隧道電流，用精密的壓電晶體控制導體針尖沿樣品表面掃描，從而在原子尺度上記錄樣品的表面形貌。其分辨率達到了1 nm ~ 2 nm，可用於研究各種金屬、半導體和生物樣品的表面形貌，以及表面沈積、表面原子擴散、表面粒子的成核和生長、吸附和脫附。STM出現後，發展了壹系列工作原理相似的新的顯微技術，包括原子力顯微鏡(AFM)、橫向力顯微鏡(LFM)等。這些基於探針對樣品進行掃描和成像的顯微鏡統稱為掃描探針顯微鏡(SPM)。掃描探針顯微鏡是納米計量、納米表征和測量中最重要和最基本的方法。它可以以原子探針和待測樣品表面為主要部件，完成X、Y方向上探針與樣品之間的掃描，同時模擬Z方向上樣品表面的起伏。利用探針與樣品相互作用產生的物理量隨樣品表面起伏的變化來觀察樣品表面形貌。該儀器分辨率高，水平分辨率可達0.1nm，垂直分辨率可達0.01nm。它可以直接觀察和確定樣品的三維圖像，可以在大氣、真空甚至高溫或低溫的液體中進行觀察。不接觸樣品即可檢測，所以不會損傷樣品，也不需要電子束照射，所以不會對樣品造成輻射損傷。
二。中國電子顯微鏡技術的發展1958年，中國研制成功第壹臺電子顯微鏡，1988年，中國科學院白春禮、姚俊恩研制出中國第壹臺STM。[2]2000年，中國電子顯微鏡學會統計中國大陸不到2000套。中國加入世貿組織後，經濟發展、科研、教育和產業結構都在升級。目前，中國的電子顯微鏡市場每年增長近100臺。可以預計，未來幾年中國電子顯微鏡的市場容量將位居世界第壹。對於中國市場的電子顯微鏡，日本電子的市場份額超過50%，位居第壹。其次是費(原飛利浦電子顯微部)、日本日立(代理)、德國(原德國利奧)、日本島津。國內廠商方面，主要是中科易科、南京江南光電和上海電子光學技術研究所，產品主要集中在低端掃描電鏡市場。就整體市場情況來看，國產電子顯微鏡國內市場份額不到10%。可見我國國產電子顯微鏡還有很大的提升空間。從類型來看，掃描電鏡占我國電子顯微鏡總數的63.61%，透射電鏡占36.39%，可見掃描電鏡在我國擁有更廣泛的用戶基礎。[3]
三、電子顯微鏡技術的未來發展趨勢
3.1遠程電子顯微鏡技術20世紀90年代以來，隨著計算機技術和網絡技術的發展，逐漸出現了遠程電子顯微鏡，可以將實驗室中獲得的實時信息展示給遠程用戶，使他們可以通過互聯網實時觀看樣品圖像，遠程操作儀器完成實驗。[4]遠程電鏡技術的關鍵在於圖像采集、壓縮和傳輸。在圖像采集方面，現在的電子顯微鏡已經有了很大的進步。舊的電子顯微鏡多采用數碼相機和視頻采集卡采集圖像，新的電子顯微鏡多采用VGA采集卡采集圖像，成為未來的發展趨勢。此外，使用軟件收集圖像的新方法也逐漸出現。在早期，JPEG圖像壓縮用於圖像壓縮，即遠程用戶看到的是壹系列獨立的靜態樣本圖像。現在，隨著技術的發展，MPEG4-4、H.264等視頻壓縮算法逐漸應用於樣本圖像的壓縮。目前樣本圖像的傳輸主要是通過TCP和UDP協議，但是這兩種協議占用的帶寬太大，傳輸效果不理想。為了提高傳輸性能，正在研究專用數據傳輸系統“金字塔”網絡傳輸模型和專有傳輸網絡，這也是現階段遠程電鏡的改進方向。1990年，卡爾·茲莫拉等人實現了掃描電鏡樣品圖像的網絡傳輸，首次建立了遠程電鏡樣品圖像實時傳輸系統。隨後，美國大學紛紛建立自己的SEM遠程系統。樣本傳輸的效率也有了很大的進步。最初在800Mb光纖網絡中，樣本圖像的傳輸效率是每17秒1幀。到2000年，在1~2Mb的網絡中，樣本圖像的傳輸可以達到每秒5幀。技術上還有很大的提升空間。在我國，雖然高校和科研機構有數千臺電子顯微鏡，但仍不能滿足日益增長的應用需求。因此，遠程電子顯微鏡技術的研究對我國具有重要的應用價值。
3.2低溫電鏡技術低溫電鏡技術是壹種利用冷凍(物理)方法制備生物樣品並進行觀察的技術，因此在生物組織學中應用廣泛。與常規電鏡技術(化學方法)相比，它能最大限度地保持樣品的生理狀態，可用於研究生物大分子的動態過程和分析核組織的三維結構。
3.3低溫電子顯微鏡下的三維重建技術電子顯微鏡的三維成像技術是電子顯微鏡與計算機完美結合的產物。它利用電子顯微鏡采集樣品的二維投影圖像，通過計算機處理重建樣品的三維空間結構。三維成像技術廣泛應用於生物學領域，尤其是蛋白質的三維結構分析。早期的三維成像技術主要使用重金屬鹽溶液對樣品進行染色。