掃描電子顯微鏡在生物學(xué)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

王艷萍,馮 穎,何曉燕,肖 智,劉麗娟,夏廣清,宮汝淳

(1.通化師范學(xué)院 生物系,吉林 通化 134002;2.北京林業(yè)大學(xué),北京 100083)

1 引言

掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope)簡(jiǎn)稱SEM，是一個(gè)能夠?qū)腆w樣品進(jìn)行形貌觀察和分析的復(fù)雜系統(tǒng)，它濃縮了電子光學(xué)技術(shù)、真空技術(shù)、精細(xì)機(jī)械結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等.掃描電鏡利用聚焦非常細(xì)的高能電子束在試樣上進(jìn)行掃描，激發(fā)出各種物理信息，通過對(duì)這些信息的接受、放大和顯示成像，獲得試樣表面形貌、成分和結(jié)構(gòu)的信息[1].自從1965年第一臺(tái)商用掃描電鏡問世以來[2]，它不僅應(yīng)用于植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、醫(yī)學(xué)、微生物學(xué)、古生物學(xué)、考古學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)、地質(zhì)礦物學(xué)、食品科學(xué)等領(lǐng)域的研究，而且還廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)、陶瓷工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)等生產(chǎn)部門[3].

掃描電鏡是一種大型的精密儀器，由于其具備分辨率高、放大倍數(shù)變化范圍寬、景深大、立體感強(qiáng)、樣品制備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，為微觀世界的探測(cè)提供了一種新的研究手段.由于設(shè)備本身比較精貴，運(yùn)營成本很高，實(shí)驗(yàn)操作和維護(hù)比較復(fù)雜，對(duì)于高校來說，往往只由專門的實(shí)驗(yàn)教師管理，用于高校教師以及研究生科研課題研究，很少用于本科教學(xué).我院于2006年利用日元貸款購買了一臺(tái)“日本日立S-3000N型掃描電子顯微鏡”，以及配套設(shè)備日本日立HCP-2型二氧化碳臨界點(diǎn)干燥儀、北京中科SBC-2型多功能表面處理機(jī).為了開拓學(xué)生的視野和提高學(xué)生的科研實(shí)踐能力，我們重新設(shè)置了“顯微鏡應(yīng)用技術(shù)”課程的教學(xué)內(nèi)容，增加了電子顯微技術(shù)等相關(guān)知識(shí)，介紹了SEM運(yùn)用的理論和實(shí)踐，增設(shè)了實(shí)驗(yàn)課程,提高學(xué)生探索超微世界的能力.

2 實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)施

2.1 實(shí)驗(yàn)課程的可行性

光學(xué)顯微鏡是生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的常用儀器，是學(xué)生探索微觀世界的基礎(chǔ)工具，無論是觀察動(dòng)植物器官立體結(jié)構(gòu)的實(shí)體顯微鏡還是分析人體組織細(xì)胞形態(tài)的系統(tǒng)顯微鏡，其分辨率僅為0.2μm左右，無法觀察到超微細(xì)節(jié).而SEM的分辨率約為3nm，觀察結(jié)構(gòu)立體感強(qiáng)、細(xì)節(jié)清晰、樣品制備簡(jiǎn)單，為實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)提供了可行性.

2.2 教學(xué)時(shí)間及內(nèi)容分配

顯微鏡應(yīng)用技術(shù)課程是生物系“生物科學(xué)和生物技術(shù)專業(yè)”選修課程，已有近10余年的教學(xué)歷程，主要講授光學(xué)顯微技術(shù).2006年SEM安裝使用以后，課程設(shè)置為36學(xué)時(shí)，理論和實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時(shí)各半，其中SEM實(shí)驗(yàn)課共設(shè)6學(xué)時(shí)，分兩次(2學(xué)時(shí)，4學(xué)時(shí))講授.采取分小組實(shí)驗(yàn)的授課模式，每小組8～10人左右，考慮到長(zhǎng)白山地區(qū)的氣候環(huán)境和動(dòng)植物材料的選取，本門課程安排在每年的春季學(xué)期，表1是SEM實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排的具體情況.

2.3 教學(xué)結(jié)果分析

通過課程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，電子顯微技術(shù)內(nèi)容涉及電學(xué)、光學(xué)、化學(xué)等多門學(xué)科，學(xué)生沒有學(xué)習(xí)系統(tǒng)的理論知識(shí)之前很難理解實(shí)驗(yàn)的原理和過程.為此，我們的理論課開設(shè)在實(shí)驗(yàn)課之前，教師運(yùn)用了多媒體技術(shù)，結(jié)合儀器視頻、動(dòng)畫和幾千張圖片等[4]，將專業(yè)知識(shí)內(nèi)容形象的展現(xiàn)在學(xué)生面前，加強(qiáng)了學(xué)生的理論知識(shí)儲(chǔ)備，為實(shí)驗(yàn)課的進(jìn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).理論課程詳細(xì)的介紹了SEM的發(fā)展史、工作原理、樣品制備技術(shù)，以及常用SEM名詞術(shù)語(分辨率、放大倍率、象散、工作距離、景深)等，因此，在實(shí)驗(yàn)過程中教師僅需要簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)，具體過程和時(shí)間安排見表1.另外，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的授課次序不同對(duì)教學(xué)效果有明顯影響，實(shí)驗(yàn)一主要是上機(jī)觀察，可以直觀與儀器面對(duì)面；實(shí)驗(yàn)二為樣品制備，內(nèi)容豐富.教學(xué)后調(diào)查顯示學(xué)生對(duì)于上機(jī)觀察的興趣更加濃厚，先開設(shè)實(shí)驗(yàn)一可以滿足學(xué)生的好奇心，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，這樣，在樣品制備環(huán)節(jié)中往往學(xué)生會(huì)更樂于主動(dòng)參與.其次，在教師演示并講解SEM觀察過程時(shí)，注重了與學(xué)生的交流互動(dòng)[5].例如：選取實(shí)驗(yàn)的觀察樣品，我們經(jīng)常使用現(xiàn)場(chǎng)選取的學(xué)生頭發(fā)或?qū)W生自己帶來的實(shí)驗(yàn)材料，這樣極大的調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，提高了學(xué)生參與科學(xué)研究的興趣.圖1顯示的是雄性果蠅的生殖器官——性梳，在光學(xué)顯微鏡下我們只能觀察到一個(gè)黑色的斑點(diǎn)，但在SEM低真空模式下學(xué)生可以清楚的數(shù)出“梳子齒”的數(shù)目.圖2是學(xué)生頭發(fā)的SEM低真空模式圖片，這類試樣與學(xué)生自身密切相關(guān)，我們把科學(xué)研究和學(xué)生自身聯(lián)系起來，學(xué)生感到非常興奮，課堂氣氛極為活躍.大型儀器往往由于運(yùn)營成本較高而沒有用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，應(yīng)用SEM低真空模式觀察背散射電子像，不需要對(duì)試樣進(jìn)行固定脫水等處理，取材后可直接觀察，既縮減了實(shí)驗(yàn)步驟、節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，又減少了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的支出，取得了良好的教學(xué)效果.圖3和圖4則是應(yīng)用高真空模式拍攝的二次電子圖片，這種模式的分辨率較高，圖片清晰度好，上機(jī)觀察、獲取圖片的操作簡(jiǎn)單，容易被大多數(shù)同學(xué)快速掌握，但是，試樣的制備過程相對(duì)復(fù)雜，使用到了多種化學(xué)試劑和SEM配套儀器，這要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)二過程中熟練掌握實(shí)驗(yàn)步驟和合理安排時(shí)間.

3 討論

掃描電鏡作為大型精密儀器與生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合起來，輔助本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，極大的提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量.我們利用和發(fā)展了儀器多種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，盡量采用低耗時(shí)和低成本的方法，把科學(xué)研究和教學(xué)實(shí)踐統(tǒng)一，理論聯(lián)系實(shí)踐，在教學(xué)過程中總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)：(1)課程開設(shè)在春季學(xué)期，學(xué)生可得到充分的實(shí)驗(yàn)材料，并且可以整合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，把本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于其他年級(jí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，節(jié)省經(jīng)費(fèi)損耗；(2)課程分小組授課，每8～10人一組，各小組可以直接參與教師的科研工作，拓寬學(xué)生的科研思路；(3)課程支持和輔助大學(xué)生科研立項(xiàng)的實(shí)驗(yàn)工作，把教學(xué)和科研在實(shí)驗(yàn)課堂上高效統(tǒng)一.

表1 顯微鏡應(yīng)用技術(shù)課程(SEM實(shí)驗(yàn)內(nèi)容)教學(xué)安排表

圖版說明:BSE2(背散射電子像);SE(二次電子像);工作距離(WD):10.5～12.6mm;電壓:15.0kv;放大倍率:x800～2000.1.示雄果蠅性梳,箭頭指向?yàn)閯偯?1bar=50μm;2.示人發(fā),箭頭指向?yàn)閷盈B的毛鱗片,1bar=50μm;3.示長(zhǎng)白松的花粉,箭頭指向?yàn)闅饽?1bar=20μm;4.示紫椴葉片下表皮氣孔器,箭頭指向?yàn)闅饪灼?1bar=50μm.

參考文獻(xiàn):

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