探寻电镜下“微观世界”的秘密

本文转自：新华日报

记者走进中国科学院南古所扫描电子显微镜室

探寻电镜下“微观世界”的秘密

蝴蝶翅膀上的鳞片（着色后） （南古所电镜室供图）

□ 本报记者 张宣 程晓琳 实习生 杨舒雅

你看过放大几万倍的发丝吗？你见过千形万状的花粉吗？本期《实验室的故事》记者实地探访中国科学院南京地质古生物研究所扫描电子显微镜室，带你走进电镜下别有洞天的微观世界。

电镜里有肉眼看不见的世界

在扫描电子显微镜室，一个个微小的样品整齐排列粘贴在专用样品台上。扫描电子显微镜室负责人、高级工程师方艳告诉记者，对样品的前期处理虽然相对自由，但必须要保证其能够导电，不导电的化石样本要借助铝箔纸实现导电才能在扫描电镜下观察。

为什么一定要保证样品能够导电？方艳介绍，这与扫描电子显微镜的运行原理有关。显微镜的分辨能力与光源的波长有密切关系。普通光学显微镜以可见光为光源，分辨极限为200纳米。扫描电子显微镜不同于光学显微镜，它以电子为光源，利用高能电子束与样品表面碰撞激发各种次级电子，次级电子信号会被样品上方不同信号接收器的探头接收，通过放大器同步传送到电脑显示屏，形成立体感强、分辨率高的实时成像记录，这就需要对样品进行导电处理。“不过，随着电镜技术的发展，现在我们也可以观察到导电性相对较差的样本，变化的空间比较大。”方艳补充说。

样品放入样品室后，将通过马达台运输到电镜室，随后将对操作环境进行真空处理。方艳对这一步进行了解释：“电子的一个特性就是在大气环境中传播距离较短，只有在真空环境中才能进行更远的传播。”

扫描电镜旁的四个电脑屏幕清晰展现了样品的微观构造。方艳介绍，这四个屏幕分别是扫描电镜主屏幕、扫描电镜次屏幕、拉曼主屏幕和X射线轮谱，“现在的扫描电镜应用非常广泛，不管是材料科学，还是生物科学，只要是涉及微观形态的观察都会使用扫描电镜。这些屏幕让我们看到肉眼看不到的世界。”

“纳米之眼”应用多个科研领域

作为一种高端通用的大型科学仪器，扫描电子显微镜是肉眼观察和光学显微镜观测的延伸。人眼能分辨的最小长度大约是0.15毫米，相当于一张A4纸的厚度；借助光学显微镜人们可以分辨到微米级别，能够看到细胞的结构；借助扫描电镜，我们可以观察到纳米级别尺度，能够将物体放大到百万倍。

在“纳米之眼”的加持下，我们能够探索到微观世界的哪些秘密？方艳以实验室举办过的科普活动观察结果为例，为记者打开了微观世界的画卷。

“我们做过对人体头发的观察，以不同类型的头发为样本，通过电镜来展现纷繁复杂的微观世界。”方艳打开了样本图像，并向记者一一介绍，白发在电镜下呈干瘪状态，染发在电镜下呈现裂变状态，烫发在电镜下清晰呈现了毛鳞片缺失状态。

方艳告诉记者，作为人类窥见微观世界的媒介，扫描电镜延伸了人们对事物的认知。微观世界中的无限可能激励着研究者进行持续探索。目前，扫描电镜在新材料开发、半导体工程、生物医药研究、地质研究等多个领域都有了非常广泛的应用。另外，在嫦娥5号采回的月球样本的分析中，扫描电镜也发挥了重要作用。

“信息拼图”助力古生物研究

当谈到扫描电子显微镜室与古生物科研时，方艳向记者介绍了扫描电镜下麒麟虾的故事。

“在麒麟虾的化石研究过程中，我们利用扫描电镜，通过大面积扫描，把微观的信息宏观展现出来，成功论证了麒麟虾中神经组织和消化系统等软躯体结构的存在。”方艳说，通过进行扫描电镜和能谱分析，他们将化石中“小虾”的全身元素分布呈现在计算机上，通过分析元素差异来进行论证。

元素如何反映结构的存在？方艳解释，消化系统主要以碳元素保存，在降解或矿化的过程中，由于降解速度等因素的不同，碳元素留在了“原位”，保留了消化系统原本的形态，如此便论证了麒麟虾消化系统的存在。“以前的电镜只是看局部，我们做了大面积拼图，整体呈现出来的信息更能够助力古生物研究的进行。”

“电镜操作人员不仅要会使用电镜，还要懂科研。”方艳介绍，扫描电镜就像是一座桥梁，实现样品亮点与研究痛点的连接。一名成熟的电镜工程师不仅要能面对充满变量的设备精密度和实验手段，也要能找出样品中具有科研价值的闪光点。