扫描电镜的超低温冷冻制样及传输技术(Cryo-SEM)

 

扫描电镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种利用聚焦电子束扫描样品表面，通过检测二次电子或反射电子等信号来获取样品表面形貌信息的显微观察技术；然而，许多生物样品在常温下无法保持其原始结构和形态；超低温冷冻制样及传输技术（Cryo-SEM）应运而生，它允许在超低温条件下对生物样品进行扫描电镜观察。

一、技术原理

Cryo-SEM的基本原理是将生物样品快速冷冻并在低温条件下进行制样和观察，以保持样品在接近其原始状态下的结构；这种技术避免了传统制样方法中由于固定、脱水、干燥等步骤导致的样品变形或损伤。

二、冷冻制样过程

1. 快速冷冻：样品在液氮或液氦环境中快速冷冻，通常使用冷冻传输装置（cryo-transfer device）实现；冷冻速度至关重要，需要足够快以形成玻璃态冰，从而保持细胞结构的完整性。

2. 样品制备：冷冻后的样品可以进行切割、研磨或离子束研磨等处理，以暴露出感兴趣的区域。

3. 样品安装：将冷冻样品安装在特定的样品台上，准备进行SEM观察。

三、Cryo-SEM系统构成

1. 冷冻传输装置：用于将样品从低温环境安全传输到SEM样品室，并保持样品在低温状态。

2. 扫描电镜：配备有冷冻样品室的SEM，能够在低温条件下进行样品观察。

3. 真空系统：为了保持样品低温和避免样品污染，Cryo-SEM系统需要高真空环境。

4. 控制系统：用于操作冷冻传输装置、SEM以及真空系统。

四、技术特点

1. 保持样品原始状态：Cryo-SEM可以在不破坏细胞结构的情况下观察样品，提供接近生命状态的形貌信息。

2. 无需固定和脱水：冷冻制样过程无需化学固定和脱水，减少了样品处理步骤，降低了人为误差。

3. 高分辨率成像：Cryo-SEM能够提供高分辨率的二次电子图像，清晰地展示样品表面的微观结构。

4. 适用于多种样品：Cryo-SEM不仅适用于生物样品，还适用于含水或其他易挥发样品的观察。

五、应用领域

1. 生物学研究：Cryo-SEM在细胞生物学、微生物学、神经科学等领域有着广泛的应用，用于观察细胞结构、细胞器、病原体等。

2. 药物开发：在药物输送系统的设计中，Cryo-SEM可用于观察药物颗粒的形态和分布。

3. 食品科学：用于研究食品的微观结构，如冷冻食品中的冰晶形态。

4. 材料科学：Cryo-SEM可用于观察含水量高的材料，如某些聚合物和复合材料。

六、技术进展

1. 自动化程度提高：现代Cryo-SEM系统具备更高的自动化程度，简化了操作流程，提高了实验效率。

2. 冷冻技术改进：冷冻技术的不断进步，如高压冷冻，使得样品冷冻更加均匀，减少了冰晶损伤。

3. 原位观察：结合原位样品处理技术，Cryo-SEM可以在观察过程中对样品进行切割、研磨等操作。

七、未来发展趋势

1. 集成更多功能：将Cryo-SEM与其他分析技术如能谱分析（EDS）、聚焦离子束（FIB）等结合，实现多功能的显微分析。

2. 三维重构：利用Cryo-SEM获得的系列切片图像，通过计算机辅助技术进行三维重构，以获得样品的三维结构信息。

3. 智能化数据分析：利用机器学习和人工智能技术，自动识别和分类Cryo-SEM图像中的结构特征。