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掃描電鏡如何對生物樣品進行低溫成像?

日期:2025-02-21

掃描電鏡(SEM)對生物樣品進行低溫成像是一種常見的技術,用于觀察生物樣品在接近其自然狀態下的形貌,減少樣品在電鏡下的損傷和失真。生物樣品由于含水量較高,傳統的SEM成像過程中通常會遭遇樣品表面蒸發、變形或燒蝕等問題。低溫成像可以有效減緩這些問題。下面是如何進行低溫成像的一些關鍵步驟和技術要點:

1. 冷凍準備與樣品制備

快速冷凍(Cryofixation):樣品需要經過快速冷凍處理,以便在樣品內保持其天然結構。常見的快速冷凍方法包括:液氮冷凍:將生物樣品迅速浸入液氮中(-196°C),達到幾乎瞬時冷凍,防止水分結冰時對細胞結構的損傷。

冷凍噴霧法:在低溫下,通過噴霧冷卻樣品的表面。

高壓冷凍:通過在高壓下進行冷凍(通常高達2000 bar)來防止水分在細胞內部形成冰晶,從而減少細胞結構損傷。

冷凍保存(Cryopreservation):在冷凍后,樣品可以在低溫下長期保存,避免樣品的自然衰退。需要注意樣品冷凍后是否能夠保持生物活性。

2. 冷凍斷層掃描(Cryo-SEM)

原理:冷凍斷層掃描(Cryo-SEM)是一種結合冷凍和掃描電鏡的技術,用于觀察低溫下的生物樣品。冷凍樣品在低溫下保持其自然狀態,樣品在掃描電鏡下通常會在低溫下維持在液氮溫度附近,避免水分揮發。

設備要求:需要具備專門的低溫樣品室或冷凍舞臺的掃描電鏡。設備通常包含一個低溫樣品臺,樣品臺的溫度可以在-150°C到-180°C之間調節。

3. 真空環境與低溫穩定性

低溫真空環境:SEM使用高真空環境,這可能會導致冷凍樣品中的冰晶升華。為了減少這種影響,可以通過在低溫環境下操作(如液氮溫度下)來降低升華速率,保持樣品的低溫狀態。

低溫電子束影響:在低溫下,電子束的影響可能與常規環境下有所不同。電子束與樣品的相互作用較弱,這有助于避免樣品的熱損傷和其他結構破壞。

4. 樣品涂層(Coating)

低溫下的涂層問題:傳統的SEM成像需要給生物樣品涂上一層金屬導電層(如金或鉑),以避免充電效應。然而,低溫下,金屬涂層可能與樣品的低溫特性相沖突。因此,采用非導電涂層(如碳涂層)或使用低溫穩定的金屬涂層可以避免對低溫下的樣品產生影響。

低溫涂層技術:有些冷凍電鏡設備具備低溫涂層功能,能夠在低溫環境下進行涂層,避免樣品溫度升高。

5. 圖像獲取與分析

圖像清晰度:低溫環境下,樣品表面不會發生水分揮發和形態扭曲,從而獲得更清晰、更細致的結構信息。通常情況下,低溫下的圖像質量較好,能夠保持生物組織的細節和形態特征。

圖像增強:冷凍樣品表面未蒸發的水分有助于更好地觀察樣品的表面結構,尤其是對于一些含水量較高的細胞或組織樣品。冷凍態樣品可以提供更高的分辨率圖像。

6. 冷凍濺射(Cryo-SEM)中的濺射過程

濺射與冷凍:在進行低溫SEM成像時,濺射涂層會用非常細小的金屬顆粒(如鉑)覆蓋樣品表面。由于樣品處于低溫狀態,濺射層的附著力和導電性較好,能有效提高圖像質量。

7. 低溫掃描電鏡應用領域

生物醫學研究:低溫SEM可用于觀察細胞、組織、蛋白質復合物等生物樣品的表面結構。比如,觀察細胞膜的微結構、細胞之間的連接、細胞器等。

病毒研究:研究病毒的形態、結構以及病毒與宿主細胞的相互作用。

納米技術:研究納米粒子或納米材料與生物分子或細胞的相互作用,尤其在低溫環境下,能更真實地反映其生物學效應。

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作者:澤攸科技