《生物電子顯微鏡技術(shù)》課程教學(xué)與實(shí)踐

黃吉雷 劉傳荷 倫璇

摘要：《生物電子顯微鏡技術(shù)》是面向研究生開放的一門實(shí)用性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課程。本文從理論授課和實(shí)驗(yàn)兩方面淺談生物電子顯微鏡課程的設(shè)置和教學(xué)方案。理論授課時(shí)采用比較的方法講授電子顯微鏡的基礎(chǔ)知識(shí)，重點(diǎn)突出電子顯微鏡生物制樣技術(shù)，跟進(jìn)電鏡領(lǐng)域技術(shù)新進(jìn)展，學(xué)生自主學(xué)習(xí)和理論與實(shí)踐相結(jié)合等教學(xué)方案；并設(shè)置一半學(xué)時(shí)為實(shí)驗(yàn)課，使學(xué)生切實(shí)學(xué)到電子鏡顯微鏡理論知識(shí)和掌握電子顯微鏡應(yīng)用技術(shù)。

關(guān)鍵詞：生物；電子顯微鏡；教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）19-0166-02

一、引言

透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡用于觀察樣品的超顯微形貌，被廣泛應(yīng)用于生物、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境和材料等領(lǐng)域，涉及的專業(yè)知識(shí)主要包括細(xì)胞生物學(xué)和材料學(xué)。近年來，隨著國家和各級(jí)政府對(duì)高校基礎(chǔ)研究的投入加大，電子顯微鏡在各個(gè)高校逐漸普及，很多高校和科研院所成立電子顯微鏡中心，并針對(duì)本科生和研究生開設(shè)電子顯微鏡課程[1-4]。作為一所綜合性院校，專業(yè)多且范圍廣，應(yīng)用到電子顯微鏡的專業(yè)包括生物、農(nóng)學(xué)、林學(xué)、環(huán)境科學(xué)、食品、獸醫(yī)、動(dòng)物科學(xué)和材料等專業(yè)。這些專業(yè)跨度較大，應(yīng)根據(jù)學(xué)生的專業(yè)和基礎(chǔ)知識(shí)在理論授課時(shí)對(duì)部分內(nèi)容有所側(cè)重。經(jīng)過多年的上課經(jīng)驗(yàn)和電鏡中心工作的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文從理論和實(shí)驗(yàn)兩部分淺談《生物電子顯微鏡技術(shù)》課程教學(xué)和實(shí)踐的幾點(diǎn)理解。

二、理論課部分

1.采用比較的方法講授電子顯微鏡基礎(chǔ)知識(shí)。電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)與原理是電子顯微鏡課程最基礎(chǔ)的知識(shí)，它涉及光學(xué)、電磁學(xué)和機(jī)械學(xué)等方面的知識(shí)，內(nèi)容相對(duì)枯燥且艱深。因此，如何通俗易懂地講好這部分內(nèi)容，讓學(xué)生易于理解是關(guān)鍵。筆者認(rèn)為可從顯微鏡的發(fā)展歷史講起，從普通的光學(xué)顯微鏡到熒光顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡，以阿貝公式為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)波長(zhǎng)是決定顯微鏡分辨率的最主要因素。光學(xué)顯微鏡與電子顯微鏡最大的區(qū)別是光源的不同。電子顯微鏡的光源是電子，其波長(zhǎng)遠(yuǎn)比光學(xué)顯微鏡的光源小，使得其分辨率遠(yuǎn)高于光學(xué)顯微鏡。而正是由于光源的不同，使得電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡的鏡體結(jié)構(gòu)有著巨大的差別[5]。利用比較分析的方法，由學(xué)生相對(duì)的熟悉的光學(xué)顯微鏡講起并作為比較，分析電子顯微鏡與光學(xué)顯微鏡的主要區(qū)別，使學(xué)生更容易理解。

2.生物樣品電鏡制樣方法是重點(diǎn)內(nèi)容。生物樣品的電鏡制樣方法是《生物電子顯微鏡技術(shù)》課程最重要的部分，在教學(xué)時(shí)要重點(diǎn)突出。透射電鏡生物樣品制樣步驟包括取材固定、緩沖液漂洗、脫水、樹脂滲透和包埋等步驟，掃描電鏡生物樣品制樣步驟包括取材固定、緩沖液漂洗、脫水、干燥和金屬鍍膜等步驟。其中第一步取材固定最為關(guān)鍵。要求學(xué)生理解戊二醛、多聚甲醛、鋨酸和高錳酸鉀這幾種固定液固定的基本原理。取材時(shí)根據(jù)樣品的材質(zhì)和實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟煌捎貌煌墓潭ǚ椒ê凸潭ㄒ海热缛∧X部神經(jīng)組織采用灌流固定方法效果較好；免疫金標(biāo)記宜用多聚甲醛固定，因?yàn)槲於┖弯~酸對(duì)蛋白的抗原性破壞性極大；有細(xì)胞壁的樣品固定時(shí)需要在戊二醛中加入多聚甲醛。此外，生物電鏡制樣所用的試劑如戊二醛、多聚甲醛、鋨酸、丙酮、環(huán)氧樹脂等試劑是有毒致癌物，在授課時(shí)也需要強(qiáng)調(diào)如何安全使用這些試劑以及廢棄試劑如何保存和處理。

由于本課程面向生物、農(nóng)學(xué)、林學(xué)、環(huán)境科學(xué)、食品、獸醫(yī)、動(dòng)物科學(xué)和材料等專業(yè)學(xué)生開放，大部分專業(yè)的學(xué)生完全沒有細(xì)胞生物學(xué)知識(shí)。而生物電鏡觀察需要學(xué)生會(huì)認(rèn)識(shí)樣品的組織結(jié)構(gòu)和細(xì)胞內(nèi)各種細(xì)胞器，如細(xì)胞核、線粒體、高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、葉綠體等重要細(xì)胞器。因此，這一部分內(nèi)容除了要講授電子顯微鏡生物制樣技術(shù)，也需要向?qū)W生講授與電鏡相關(guān)的細(xì)胞生物學(xué)知識(shí)?？梢詮碾婄R中心的客戶圖片中挑選一些典型動(dòng)植物細(xì)胞圖片給學(xué)生展示，如模式植物擬南芥和水稻的根、莖、葉的細(xì)胞圖片，模式動(dòng)物小鼠各個(gè)細(xì)胞器如心臟、肝臟、腎臟、大腦和小腦等器官的細(xì)胞圖片等。同時(shí)展示各類細(xì)胞器病變的圖片作為比較，使學(xué)生了解基本的細(xì)胞生物學(xué)知識(shí)，為日后的電鏡觀察做理論知識(shí)儲(chǔ)備。

3.跟進(jìn)電子顯微鏡領(lǐng)域技術(shù)新進(jìn)展。電子顯微鏡技術(shù)發(fā)展日新月異，從2013年開始爆發(fā)的單顆粒冷凍電鏡，近年逐漸熱門的高壓冷凍制樣、聚焦離子束三維重構(gòu)、斷層攝影術(shù)、光鏡與電鏡聯(lián)用等技術(shù)被廣泛應(yīng)用。每一項(xiàng)技術(shù)都給生物領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響，利用這些新技術(shù)得到的研究結(jié)果甚至推翻之前的認(rèn)知。授課時(shí)，即使本校還沒有購置與新電鏡技術(shù)相關(guān)的電鏡設(shè)備，也建議向?qū)W生講授新一些電鏡技術(shù)知識(shí)，開拓學(xué)生視野，拓寬學(xué)生研究思路。

4.學(xué)生自主學(xué)習(xí)?！渡镫娮语@微鏡技術(shù)》是一門應(yīng)用性強(qiáng)的課程，授課對(duì)象是需要用電鏡作為研究工具的研究生，學(xué)生已經(jīng)具備一定的研究基礎(chǔ)?？梢栽O(shè)置一些與電鏡相關(guān)的主題，如單顆粒冷凍電鏡、電子斷層攝影術(shù)、免疫金標(biāo)記、電鏡與激光共聚焦顯微鏡聯(lián)用等主題，這些技術(shù)都是學(xué)生在實(shí)際研究中會(huì)用到，與學(xué)生自己的課題高度相關(guān)，安排幾個(gè)學(xué)生一組，每組選不同主題，查閱相關(guān)文獻(xiàn)和制作PPT，做5—10分鐘的報(bào)告。學(xué)生通過自己查閱文獻(xiàn)和做報(bào)告，可以加深對(duì)該內(nèi)容的理解，同時(shí)也鍛煉學(xué)生表達(dá)能力和做報(bào)告的能力。

5.理論與實(shí)踐相結(jié)合?！渡镫娮语@微鏡技術(shù)》課程是為了配合學(xué)校電鏡中心所開設(shè)的課程，目的不僅是讓學(xué)生掌握電鏡知識(shí)和電鏡制樣技術(shù)，同時(shí)也是電鏡中心提供給學(xué)生的一次電鏡培訓(xùn)，為日后學(xué)生使用電鏡提供理論知識(shí)以及簡(jiǎn)單的電鏡生物制樣和電鏡操作培訓(xùn)。授課老師可根據(jù)電鏡中心接待客戶遇到的實(shí)際問題，如經(jīng)常有老師或者學(xué)生隨手折取一段樹枝到電鏡中心要求制樣，此時(shí)樣品的細(xì)胞器已經(jīng)降解，超微結(jié)構(gòu)完全破壞。這要求學(xué)生要有意識(shí)的事先到電鏡平臺(tái)與老師溝通，學(xué)會(huì)如何在野外對(duì)樣品進(jìn)行初步固定和保存。最需要的強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)，是讓學(xué)生在電鏡制樣之前查閱與實(shí)驗(yàn)?zāi)康南嚓P(guān)的文獻(xiàn)，與電鏡中心的老師商討樣品的制樣方法，才能得到滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

三、實(shí)驗(yàn)部分

《生物電子顯微鏡技術(shù)》是一門實(shí)驗(yàn)課程，目的是讓學(xué)生掌握透射電鏡和掃描電鏡常規(guī)的生物制樣方法，以及簡(jiǎn)單的電鏡操作。本課程一般設(shè)一半學(xué)時(shí)為實(shí)驗(yàn)部分。無論是透射電鏡生物制樣還是掃描電鏡生物制樣，每一個(gè)步驟都有課本沒有提到的注意事項(xiàng)和實(shí)驗(yàn)技巧，需要在實(shí)際操作時(shí)經(jīng)過老師的講授才能掌握。因此，建議每個(gè)學(xué)生準(zhǔn)備與自己課題相關(guān)的樣品，進(jìn)行一次透射電鏡和掃描電鏡生物制樣。學(xué)生通過親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，掌握透射電鏡取材固定、脫水、滲透、包埋和超薄切片以及掃描的取材和固定、脫水、干燥和金屬鍍膜的原理和實(shí)際操作方法。在電鏡觀察前，利用電鏡實(shí)物向?qū)W生介紹透射電鏡和掃描電鏡的構(gòu)造，加深所學(xué)到的電鏡原理和結(jié)構(gòu)知識(shí)。

四、展望

近年來，學(xué)校新增材料與能源專業(yè)，電鏡中心接收越來越多的材料樣品，選修《生物電子顯微鏡技術(shù)》課程的材料學(xué)專業(yè)的學(xué)生也大幅增加。這對(duì)授課老師提出了新的要求，《生物電子顯微鏡技術(shù)》不能局限于講授生物方面的電鏡知識(shí)，需要老師對(duì)授課內(nèi)容、課程設(shè)置、實(shí)驗(yàn)安排進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，加入與材料相關(guān)的電鏡知識(shí)和實(shí)驗(yàn)。既要滿足學(xué)校大部分學(xué)生和課題組對(duì)生物電鏡技術(shù)的要求，也要考慮到新增材料學(xué)專業(yè)學(xué)生的要求。此外，電子顯微鏡技術(shù)的發(fā)展越來越快，電鏡產(chǎn)品公司經(jīng)常推出新產(chǎn)品，發(fā)展新的技術(shù)，因此可以安排部分學(xué)時(shí)邀請(qǐng)電鏡產(chǎn)品的應(yīng)用工程師給學(xué)生做報(bào)告，對(duì)最新技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行宣講，使老師和學(xué)生同時(shí)了解最新的電鏡技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]翟少華，王金泉，張曉紅，等.電子顯微鏡技術(shù)在農(nóng)業(yè)高等院校教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2014，（5）：69-71.

[2]李明芳，王曉崗，許新華，等.透射電子顯微鏡用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的幾個(gè)重要環(huán)節(jié)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2015，18（4）：49-52.

[3]張曉麗，張江蘭.多種教學(xué)方式在電子顯微鏡教學(xué)中的應(yīng)用[J].張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，（4）：79-80.

[4]朱昌來，周欣陽，王瑩潔，等.《生物醫(yī)學(xué)電子顯微鏡技術(shù)》課程教學(xué)初探[J].吉林醫(yī)學(xué)，2013，34（28）：5975-5976.

[5]張景強(qiáng)，樸英杰.生物電子顯微技術(shù)[M].第二版.廣州：中山大學(xué)出版社，1993：45-46.