观察细胞的结构(单元题)

观察细胞的结构(单元题)（通用3篇）

观察细胞的结构(单元题) 篇1

（一）选择题

1．用显微镜对光的程序是

（）

①选遮光器上适宜的光圈对准通光孔②转动转换器,使低倍物镜对准通光孔③左眼注视目镜（右眼睁开）④转动反光镜调节出一个白亮的视野

A．①─②─③─④B．②─①─③─④C．③─④─②─① D．③─②─①─④ 2．小刚同学正在用显微镜观察洋葱鳞片叶表皮细胞，显微镜的目镜有5×和10×两种，物镜有10×和40×两种，下列组合中观察到细胞数目最少的是

（）

A．目镜5×，物镜10×B．目镜10×，物镜10×C．目镜5×，物镜40×D．目镜10×，物镜40×

3．用显微镜观察临时装片时，由低倍镜转换到高倍镜，视野亮度和细胞数目的变化（）A．变亮增多B．变暗减少C．变亮减少D．变暗增多

4．在利用显微镜观察细胞结构时，与物像明暗程度无关的是（）

A．反光镜B．光圈C．镜头D．通光孔 5.室内光线较弱，对光时要用的光圈和反射光线的反光镜组合为

A．大光圈、平面镜 C.小光圈 A.目镜上、平面镜

B.大光圈 D.小光圈

（）、凹面镜、凹面镜

D.光圈上

（）

6.在显微镜的视野中有一个污点，移动玻片标本和转动目镜后仍然存在，这说明污点在（）

B.物镜上

C.反光镜上

7.某同学使用的显微镜有如下一些镜头可供选择，若要在同一视野中看到的细胞最多，宜选用的一组镜头是

8.若用同一显微镜观察同一标本4次，通过调整目镜、物镜和细准焦螺旋，结果得到如下四个图。试问其中视野最暗的是

（）

9.切片机切取洋葱的根尖，经过染色，制成可供日后多次使用的玻片标本，则这种玻片标本属于

（）

A．临时装片B．永久装片C．临时切片D．永久切片

10.橘子呈金黄色，味道甘甜，橘子的颜色和味道主要来自细胞的哪一部分（）

A．细胞膜内B．细胞质内C．细胞核内D．液泡内

11．在显微镜下，观察用碘酒染色的洋葱表皮细胞时，细胞中染色最深的结构是（）

A．细胞壁B．细胞质C．细胞核D．液泡

12．用显微镜进行观察的时候，被观察材料必须是

（）（））A．薄而透明的B．新的C．干燥的D．完整 13.用普通光学显微镜观察植物细胞时，不易观察到的结构是

A.细胞壁 A.上方B.细胞质B.下方

C.细胞膜D.细胞核 C.左侧D.右侧（）14.给生物图注字要尽量注在图的（15．制作临时装片时，应用镊子夹起盖玻片，将其一边先接触载玻片上水滴，再轻轻盖在水滴上，这样做主要为了防止

A．碰碎盖玻片B．压坏细胞C．产生气泡D．弄脏载玻片

16．“洋葱表皮细胞是扁平的；动物的肌肉细胞是细长纺锤形的；神经细胞则有许多突起。”对这段叙述的合理概括是（）

A.不同的细胞大小不同B.不同的细胞形状多种多样

C.不同的细胞结构各不相同D.生物体都是由细胞构成的17．在制作人的口腔上皮细胞的装片时，需要往载玻片上滴加（）

A．清水B．0.9﹪的生理盐水C．9﹪的生理盐水D．碘液

18．一位同学在显微镜下观察一种细胞，这种细胞具有细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核和液泡。这种细胞肯定不是（）

A．洋葱表皮细胞B．黄瓜表皮果肉细胞

C．黑藻叶片细胞D．口腔上皮细胞

19．洋葱表皮细胞和人的口腔上皮细胞的相同点是（）

A．形状相同B．大小相同C．颜色相同D．基本结构相同

20．在显微镜下，分别观察了黑藻叶片细胞和人的口腔上皮细胞，在他看到的细胞结构中，人的口腔上皮细胞不具有的结构是

①细胞壁 ②细胞膜（）③细胞质 ④细胞核 ⑤液泡 ⑥叶绿体）A．②③④⑤B．①④⑤⑥③C．①⑤⑥D．④⑤ 21．小明用显微镜观察了洋葱表皮细胞和人的口腔上皮细胞作了如下记录，其中正确的是（①洋葱表皮细胞中央有较大的液泡 ②口腔上皮细胞由细胞膜、细胞质、细胞核构成 ③洋葱表皮细胞中有叶绿体④视野中有气泡，可能是盖盖玻片时操作不当造成的⑤视野中光线过强时应调节反光镜和光圈⑥要想看到更多的细胞应换用放大倍数更大的目镜或物镜

A．①②④⑤B．②③④⑥C．①③⑤⑥D．②③④⑤

22．让显微镜的镜筒下降时，眼睛应该注视物镜，其目的是

A.方便操作B.以便物镜能对准通光孔

C.保护载物台D.以防物镜的镜头压坏装片，损坏镜头

23.下列为使用显微镜的低倍镜观察装片的步骤，正确的操作顺序是（）①转动粗准焦螺旋使镜筒上升到一定高度，将装片放在载物台上，标本正对通光孔

②双手徐徐转动粗准焦螺旋，使镜筒上升，直至视野中出现物像

③从侧面注视物镜，双手缓慢转动粗准焦螺旋使镜筒下降，直到物镜距玻片２～３毫米为止 ④转动转换器，使低倍物镜对准通光孔

⑤转动遮光器和反光镜，直到整个视野雪白明亮为止

（）

Ａ.①②③④⑤Ｂ.④⑤③②①Ｃ.②④①⑤③Ｄ.④⑤①③②

24．某同学在使用显微镜时，在低倍镜视野中看到的图像如下图，他想将物象移到视野正中，应将玻片（）

A．向左上移动B．向右上移动C．向左下移动D．向右下移动

25．当显微镜的目镜为5×、物镜为10×时，在视野范围内看到一行相连的16个细胞。若目镜不变，物镜换成40×时，则在视野中可看到这行细胞中的A.2个B.4个C.16个D.32个

（二）非选择题

26． 观察是科学探究的一种方法。科学观察需要工具，显微镜就是其中一种工具

⑴.显微镜有实验室常用的⑵.实验室使用显微镜观察的顺序是：取镜和安放，⑶.观察字母“p”的装片，视野中看到的是。如果观察到物象在视野的右下方，要想把物象调到视野中央，应将标本向移动。

⑷.某显微镜目镜有10X和20X，物镜有8X和45X，用这台显微镜观察，最大放大倍数是。

⑸.除了显微镜，我们还可以用来观察生物。

27．下图是制作洋葱鳞片叶表皮细胞临时装片的步骤图，据图回答下列问题

（）

（1）正确的实验操作顺序是。

（2）图E的操作方法可以避免。

（3）图D和图G所滴的液体分别是和。

（4）图C撕取的是洋葱鳞片叶的表皮。

（5）在显微镜下观察洋葱鳞片叶表皮细胞时，颜色最深的是细胞内的部 分，看不清楚的是细胞内的部分。

28．下面是用显微镜观察人的口腔上皮细胞的一段叙述

拿一块清洁的载玻片，在其中央滴一滴0．7％的生理盐水。用凉开水把口漱净，取一根消毒过的牙签在口腔内壁上轻轻刮几下，再把牙签放到载玻片的液滴中涂一下，然后放在显微镜下进行观察。

（1）请纠正叙述中的两处错误：a．____________________b_____________________

（2）通常先用低倍物镜找到清晰的细胞图像，若要详细观察位于视野左上方的某个细胞的结构，则应将载玻片向＿＿＿＿移动，使要观察的细胞位于＿＿＿＿。转换成高倍镜后，用 ＿＿____________调节至物像清晰。

（3）使用一定浓度生理盐水的目的是____________________________________。

（4）制作装片前，先将口漱净的目的是__________________________________。

29.下图为生物实验中常用的一些器具（图中各器具不是按实物的比例绘制的），据图回答问题。

（1）如果观察白菜叶表皮细胞，除了图中所列器具外，还需要什么材料、器具或试剂？请列出来，并说明其用途。

（2）如果要观察人的口腔上皮细胞，除了图中所列器具外，还需要什么材料、器具或试剂？请列出来，并说明其用途。

30.（10分）根据右图的植物细胞结构示意图回答:

（1）图中①是细胞壁，它有________作用；

（2）栽培于土壤中的农作物，能吸收土壤中的氮、磷、钾等营养物质，而又能抑制有害物质进入植物体，主要与（填结构名称）有关；

（3）烟叶中的烟碱和尼古丁等物质存在于细胞的 ______________（写出序号和结构名称）中。

（4）一个细胞的控制中心是____________（写出序号和结构名称）

（5）动物细胞和植物细胞的主要不同点是，动物细胞没有（填结构名称）

命题人：石桂英

参考答案：

（一）选择题：

1.B2.D3.B4.D5.B6.B7.C8.C9.D10.D11.C12.A13.C14.D15.C 16.B

17.B18.D19.D20.C21.A22.D23.D24.A25.B

（二）非选择题

26.(1)光学电子（2）对光（3）d右下方（4）900

（5）放大镜

27.(1)BDCAEGF(2)产生气泡（3）清水稀碘液

（4）内（5）细胞核细胞膜

28.（1）a.将0.7％的生理盐水改为0.9％的生理盐水b.加盖盖玻片后再置于显微镜下观察

（2）左上方视野中央细准焦螺旋

（3）保持细胞正常的形态

（4）除去口腔内的食物残渣，以免影响观察

29．（1）①新鲜的白菜叶，作观察材料；②清水，滴加到载玻片上；③稀碘液，给材料染色；④吸水纸，在给材料染色时，用来吸引染液；⑤纱布，用来擦拭载玻片、盖玻片；⑥烧杯、试剂瓶，用来盛装清水、稀碘液。（2）①牙签，刮取观察材料；②生理盐水，维持细胞的正常形态；③稀碘液，给材料染色；④吸水纸，在给材料染色时，用来吸引染液；⑤纱布，用来擦拭载玻片、盖玻片；⑥试剂瓶，用来盛装生理盐水、稀碘液。

观察细胞的结构(单元题) 篇2

随着科学技术的进步,各种替代人眼的观察工具逐步拓展人类对生物体结构与功能的认识。19世纪30年代开始形成的细胞学说致力于研究生物体基本单位,细胞的显微结构和功能。细胞生物学和其他学科的结合又产生众多新兴学科,如细胞遗传学、细胞化学、细胞免疫学、分子生物学等。而20世纪30年代电子显微镜的出现又将细胞生物学推向新的发展高潮。人们对细胞的研究深入到亚细胞水平的各类超微结构,如细胞内各类细胞器以及大分子复合物的结构和功能。目前,更是和分子生物学紧密结合,从分子水平上研究细胞的分子结构及其在生命活动中的作用。可以说,细胞生物学的众多进步都归功于新型显微影像仪器的出现,没有显微镜,就没有细胞生物学,就没有人类对生物微观层面的研究与认识。

和众多的成像方法类似,传统的光学显微镜成像提供的是三维信息在一个二维平面上的投影。只从平面图像人们很难得到样品的立体构像及其相关的功能特性。光学显微镜分辨率也是限制其应用的一个重要原因。细胞分子生物学领域蛋白质科学的研究,从蛋白质等大分子物质的角度研究细胞的增值、分化、凋亡、信息传递等细胞生命活动,都是亚微米甚至纳米量级的观察。传统显微镜难以达到要求。因此,众多学者致力于改进或发明新的获取细胞三维结构信息的工具,新的显微成像技术不断出现,新的三维重构技术不断被引入使用,图像分辨率不断提高,以及各种辅助技术使得真实精确再现细胞三维结构成为现实。本文就目前常用的几种用于观察及获取细胞三维信息的现代显微影像仪器和技术进行简单的介绍和比较。

1 光学显微镜

1.1 激光扫描共聚焦显微镜(Laser scanning confocal microscope,LSCM)

1957年,美国科学家Marvin Minsky就提出共聚焦显微镜的原理,1987年White和Amos在《Nature》上发表“Confocal Microscopy Comes of Age”一文预言共聚焦时代即将来临,而后美国Meridian公司,推出第一台商用“激光扫描共聚焦显微镜”,成为细胞生物学历史上的重要里程碑。由于其独特的优势,激光扫描共聚焦显微镜迅速在形态学、分子细胞生物学、材料科学等领域得到广泛的应用,目前已经成为分子、细胞和活体组织研究的常规研究设备。

激光扫描共聚焦显微镜是在传统荧光显微镜的基础上发展而来。照明装置处的针孔形成点光源激发光对样本焦平面逐点扫描,位于探测装置之前的针孔(pinhole)和照明针孔共扼,使得只有焦点激发出的荧光可以在探测针孔处成像,其他临近点的衍射和散射光基本被阻挡,有效提高成像的清晰度,增强成像对比度。又由于点光源照射的单点成像原理,使得它能突破瑞利分辨率的限制[1],较传统光学显微镜的分辨率提高至少30%。沿纵轴移动标本即改变焦面的位置进行连续逐层扫描,来获得各个层面的图像,即所谓的“无损伤的光学切片”。经计算机图像处理这些“光学切片”就可以重构出样品的三维结构,实现“准三维成像”[2]。

激光共聚焦扫描显微镜在观察细胞三维结构方面有显著优越性和实用性。首先,它适用与观察荧光标记的活细胞,没有电子显微镜高真空环境的要求,“光学切片”取代机械切片,不会标本造成物理化学特性的破坏,减少样品预处理造成信息丢失或失真程度,以保留细胞真实和完整的信息[3];第二,可以提供高质量的数字图像,一方面因为激光作为光源,具有单色性、高亮度及高相干性的优点,另一方面是点光源共轭针孔成像,去除杂散光,提高成像对比度和分辨率[4];第三,荧光探针特异性标记成像方式可以获得一个或多个分子或亚细胞结构的位置和动态变化信息,如可以标记细胞核,细胞质膜,线粒体,内质网等。除应用荧光标记观察细胞整体及其各亚结构的形态及位置、实现定性定量的检测外,共聚焦显微镜还可用于活细胞生理信号,离子含量的实时动态检测,如定量测定细胞内钙离子的含量变化,pH值的变化,检测药物等跨膜进入组织及细胞的过程并实现定位,研究胞间通讯等[5]。

近20年来,随着计算机技术,激光器,激光功率,高敏感度探测器和各种荧光标记技术的发展,共聚焦显微镜向更精、更快、多维和无损伤分析的方向发展。目前各家大公司都推出商品化的共聚焦显微镜,英国的Bio-Rad公司的MRC系列,德国Leica公司的TCS系列,Carl Zeiss公司的LSM系列,Olympus公司的Fluoview FV系列等。共聚焦显微镜性能不断提高,操作更加简单方便,价格也越来越便宜,越来越多的走进各大实验室和研究中心,尤其在生命科学领域,成为活细胞研究的一项常规工具。大量的细胞生物研究均是以共聚焦显微镜为工具和手段,不断揭示细胞微小结构间的科学之谜。

1.2 超分辨率荧光显微镜(super-resolution fluorescent microscope)

随着新型荧光分子探针的出现和光学成像方法的改进,研究者开发出多种超出普通共聚焦显微镜分辨率的三维超分辨率成像方法,甚至达到可以和电子显微镜相媲美的程度,可在经荧光标记的活细胞上看到纳米尺度的精细结构。

应用单分子成像的极高的定位精度和变种荧光蛋白(PA-GFP)的荧光激发及漂白特性,可以突破光学显微镜的分辨率极限。光敏定位显微技术[6](photoactivated localization microscopy,PALM)和随机光学重构显微技术[7](stochastic optical reconstruction microscopy,STORM)正是这类超分辨率荧光显微镜的典型技术。另外,还可以通过改造光源的点扩散函数来提高成像分辨率。例如受激发射损耗显微技术[8](stimulated emission depletion,STED),基本原理是通过物理过程来减少激发荧光的光斑大小,从而直接减少点扩散函数的半高宽来提高分辨率。激发激光和用来受激发射损耗的激光经过时间空间调制后同时照射到样本上,后者是高强度的脉冲激光,将被激发出的荧光物质大部分焊灭,大大减少荧光点的衍射面积,以提高分辨率[9]。同时,STED成像技术还可以快速地观察活细胞内实时变化的过程,目前,已成为一种成熟的超分辨率显微成像技术,应用于细胞生物学活细胞观察中。应用STED技术可以以视频的速度(每秒28帧)来采集记录神经细胞内突触小泡的高分辨率图像(50nm)[10]。

激光共聚焦显微镜Z轴的分辨率由于光学显微镜固有的缺陷以及机械操作的局限性远远小于XY方向。如果要充分观察细胞内的三维精细图像,就必须提高成像的Z轴分辨率。目前,也已有成熟的超分辨率技术。利用散光的原理可以提取Z轴方向的精细信息。增加一个柱面镜来改变光程,形成XY轴上的光程差,使非焦平面的点光源形状呈椭圆形,纵向扩散距离减少,一定程度上减少Z向图像模糊[11]。这种方法的Z轴分辨率可以达到50nm左右[9]。另一种新型的成像系统是采用一种特殊的液晶空间光调制器(spatial light modulator SLM),来改造点光源的扩散函数,成为有2个侧页的光斑,三维形状呈双螺旋结构,纵向分辨率提高。成像景深可以达到2μm,对于厚生物样本也可以得到清晰的层析像,而且在景深范围内z轴分辨率提高到10～20nm左右[11]。其他的已有报道的可用于活细胞超分辨率成像的技术还包括三维饱和结构照明显微术[12](saturated structure illuminationmicroscopy,SSIM),利用多重平面成像原理的光敏定位显微技术PALM技术[13],STED-4π三维成像显微镜等。另外还有学者着眼于提高成像速度,研究超高分辨率的高速三维荧光成像技术。

1.3 相移激光干涉显微镜(phase-shifting laser inter-ferometric microscope)

传统的光学显微镜着眼用光吸收率代表不同的组织结构,但是自然状态下细胞对可见光的吸收率较低,通常用染色脱水等物理化学手段增强吸收对比度后才可对细胞成像。光在物体中传播时不仅会被吸收还会产生折射,相位发生改变,2007年,美国麻省理工学院(MIT)光谱实验室的科学家们使用相移激光干涉显微镜,用相位改变干涉图提取不同细胞结构的折射率信息,获得首张基于组织不同折射率的活细胞三维图像[14]。将两束相干光线中的一束通过细胞产生折射相位改变,另一束作为参考光,利用干涉测量方法确定细胞的二维折射率图像。从100张细胞不同角度二维图像重建得到整个细胞的三维折射率图像。该方法可用于悬浮或贴壁细胞,已经获得宫颈癌细胞、线虫细胞等多种类型的三维图像。最大的优势在于研究之前无需对细胞进行任何预先处理,可见光成像不会对细胞造成像电子显微镜或X射线显微镜中的辐射损伤,不会妨碍正常的细胞功能。MIT的研究人员正致力于提高该显微技术的分辨率,希望能推动该项技术在细胞生物学领域的应用。

2三维电子显微镜(three-dimensional electron microscope)

电子显微镜发展至今在生命科学领域已有很广泛的应用。光学显微镜开辟细胞时代,而电子显微镜则开辟细胞超微结构乃至分子结构的时代。

经过30多年的发展,三维冷冻电镜技术已成为观察细胞纳米量级精细结构的有力工具。三维冷冻电镜技术主要是将样品保存在液氮或液氦温度下利用透射电子显微镜进行二维成像,再经过对二维投影图像分析进行三维重构。其主要优点一是在于采用高压快速液氮冷冻方法使样品包埋在玻璃态的水环境中,冷冻的速度极快,可以把细胞在其生理活动的某些特定时刻固定下来,可以近似活细胞成像。透射电镜是对样品的电子密度成像,无需额外的染色或标记,成像数据更忠于真实状态。避免常规电镜样品制备中的化学固定和包埋可能对细胞和细胞器造成的形态改变。二是电子显微镜固有的纳米量级的分辨率能得到更精细的图像。电镜的工作电压大概在300～500kV,电子波的波长一般小于0.01nm,比可见光要小的多,因此电镜的分辨率比光镜要高的多,约是其10～10000倍。目前透射电镜的最高分辨率可以达到几个埃,扫描电镜的最高分辨率也可以达到几个纳米。也正因如此,电子的穿透深度比较浅,对样本厚度有一定的限制,只能对样品超薄切片成像。诺贝尔奖得主Dennis Gabor在1956年提出,电子显微镜的基本缺陷在于观察的媒介损坏样本,如超薄切片要求、电子照射辐射损伤等。

连续超薄切片三维重构技术和电子断层三维分析技术是目前冷冻电镜可以用于观察细胞三维结构的2种重要技术。前者是将某一较厚的样本进行连续超薄切片,对所有切片进行电镜扫描,然后经计算机处理,得到立体形态的一种方法。而后者则类似医学X-CT,旋转样品,得到不同角度下的二维投影图像,继而应用中央截面定理等原理,采用反投影重建、迭代重建等数学方法重构出样品的三维结构。由于样品厚度的限制,这种技术能看到500～1000nm左右厚度的结构,可以了解细胞内部精细结构。目前技术可以应用电镜图像对完整细胞包括其中的细胞器如线粒体、高尔基体等进行三维重建[15]。通过电子断层成像术得到的细胞结构,现在已能达到5nm左右的分辨率,在这个分辨率下可以精确定位细胞中分子量大于400 k D的结构[16]。但是“电镜CT”的局限在于电子的穿透深度较浅,旋转角度成像时易造成成像各向不同性的结果。对样品通常要求几十幅不同角度下的二维投影,反投影等计算量也比较大,非常耗时。更重要的是,电子显微镜没办法对活细胞成像,这就丢失细胞生命活动的动态本质。

高压电子显微镜(high-voltage electron microscope,HVEM)同透射电子显微镜(TEM)基本相同,只是电压更高,通常高于500kV。由于电压高,电子波波长更短,电子的穿透能力更强,可以用于较厚样品切片中细胞结构的研究,切片厚度最大可达1μm,相当于普通TEM样品厚度的10倍。高压电子束的电离损伤小,有利于保持样本原始状态,减少受照过程中的细胞形态结构的变化。日本在HVEM方面发展较为领先,目前已有学者应用HVEM进行厚生物组织成像,能观察到细胞内高尔基体,内质网,线粒体,溶酶体等细胞器,可以观察各种细胞器在细胞中的三维排列,得到立体的概念[15,16,17,18]。

3 X射线显微镜

X射线的波长短,穿透能力强,理论上来说,X射线具有应用于显微技术的巨大潜力,能够得到更高的分辨率和景深的高质量图像。但是由于缺乏合适的高质量X射线光源和成像光学元件,X射线显微的这种巨大潜力,一直没能得到发挥,没有进入实用化。

近年来,同步辐射光源的发现和不断发展升级,为X射线显微提供宽范围、高强度、高准直度、可调谐的高质量光源[20]。微纳加工技术的飞速进步使得科学家有能力制造出X射线显微所需要的光学元件,如用于X射线聚焦和成像的波带片。基于波带片的X射线显微成像是目前发展最快、优点最多、最成熟也是最实用的技术。基于波带片的X射线成像系统的空间分辨率取决于物镜波带片的最外环宽度。纳米加工技术现在可以生产出十几纳米最外环宽度的波带片,实现X射线纳米级成像。ALS同步辐射光源已经制作一个最外环宽度为25 nm的物镜波带片,取得20 nm空间分辨率[21]。2011年最新文献显示目前技术已经可以得到最外环宽度为13nm的波带片[22]。

3.1 Nano-CT

X射线细胞三维成像方法主要原理是应用X射线显微镜放大成像的高分辨率、高衬度、深穿透距离等优点,结合医学CT三维成像方法,实现无损解析微小样品纳米量级的三维结构。2004年,美国ALS的C.Larabell首次实现含水酵母细胞三维成像,分辨率为60nm,获得的三维影像可显示出细胞三维结构及其亚细胞结构,细胞核、液泡及散布在细胞质中的类脂滴等[23]。2006年,David Attwood在Nature上发表评论称该技术在医学中的应用标志着纳米时代的来临[24]。

目前,纳米CT成像技术已成为国际上同步辐射装置大力发展的新方法和新技术。又分为“水窗”软X射线纳米三维成像显微镜和硬X射线纳米三维成像显微镜(TXM)。

3.1.1“水窗”软X射线纳米三维成像显微镜软X射线是指能量位于100～l000eV之间的X射线,280～520eV的软X射线在水中的吸收衰减长度比蛋白质高一个量级,“水窗”因此得名;意味着含水部分透明,而含C和N的有机结构可见。这个能量段为生物样品包括细胞的成像提供一个良好的自然吸收衬度,利用这种自然吸收衬度,可以在无需使用任何的衬度增强方法的情况下,获得完整含水细胞影像,获取细胞的结构信息。避免电子显微镜样品准备中脱水染色等复杂且易造成样品物理损伤的预处理过程,保留细胞最接近原始的全功能的状态。众多的优点使得水窗X射线显微技术成为目前X射线细胞成像中的主流。

虽然软X射线显微镜可以实现含水活细胞成像,但必须考虑辐射损伤。理论计算和实验均表明,对于未固定的生物样品,大辐射剂量就会引起显著的损伤,损伤完成的时间(自由基扩散过程的时间)大约在1～10 ms[25]。旋转多角度扫描样品吸收的辐射剂量比二维成像要高的多。目前为止,最好的减少辐射损伤的办法就是高压低温速冻样品。低温电镜的实现已经证实这一措施的有效性。X射线显微镜也尝试引入冷冻样品技术,实现“准活细胞”成像。

2008年,美国ALS上建成一个新的专用于生物成像的XM-2软X射线纳米CT实验站,它使用改进的二代冷冻旋转样品台,同时整合加入一台荧光显微镜,这个实验站有效推进纳米断层扫描的细胞成像研究。应用该仪器,可以显示酵母细胞分析后的细节,包括细胞核、线粒体、液泡、囊泡等。实验数据也充分显示软X-CT较电镜成像的时间优势。对于47μm长的白色念珠菌细胞,若用电镜需要200多个切片,每个切片若干次投影需要耗费大量时间,而软X-CT只需要20min[26]。

3.1.2硬X射线纳米三维成像显微镜(TXM)硬X射线没有软X射线“水窗”的性质,对样本需要进行预先的固定染色等处理,不能对活细胞成像,分辨率也达不到软X-CT的精细度。但是也有自己的独特优势,可应用于细胞三维观察。X射线的焦深和波长成反比。焦深是指能清晰成像的距离范围,只有样品的尺寸和显微镜焦深相当时,才能保证样品特征被完整而清晰的保存,避免离焦模糊[26]。硬X射线的焦深可以达到数十微米的级别,可以对大多数的真核细胞成像。另外,由于吸收衬度在细胞不同成分之间差别不大,传统的吸收衬度成像表现不佳。与之相对应的是相位衬度成像。同轴全息法和衍射增强法(即相位梯度法)是最有效的2种相位衬度成像方法。合肥国家同步辐射装置NSRF的硬X射线显微镜目前实现繁殖酵母的三维结构成像。NSRF的研究证明硬X射线显微镜下的泽尼克相位衬度成像非常适合细胞成像[28]。细胞的完整结构被在优于100 nm的空间分辨率上显示出来。同时在重构数据中对不同细胞结构进行分割,得到各种细胞器和其他细胞结构的三维渲染图,进一步在三维上揭示细胞的整体结构组织。根据衬度的不同,可以看到细胞壁的三层结构,以及衬度不同的2个群组细胞器,可以在三维重建图像上以不同的颜色表示。

3.2商用X射线显微镜

由于X射线显微成像的显著优势,各大显微镜公司都投入大量资源进行纳米CT的研究,也已有不少成果问世。不同于以同步辐射源的X射线显微装置,商用X射线显微镜是在实验室X源条件下成像,分辨率不能和前面介绍的同步辐射Nano-CT相比拟,但由于其方便实用的性质,在生命科学以及材料科学等学科中有很大的应用空间。

目前,Xradia公司近日推出新款基于实验室使用的计算机断层扫描(CT)系统UltraXRM-L200,该扫描系统将一个采用专利X射线光学部件的高通量实验室X光光源整合到一个独立的CT扫描仪中,在实验室环境下能提供纳米量级分辨率的三维成像。Xradia还研制其它超高分辨率UltraXRM纳米X射线显微镜,如NanoXCT基于菲涅尔波带片影像的CT显微系统。比利时Skyscan公司新推出的高分辨率Micro-CT系统skyscan1172是紧凑型和多用途的微型X射线断层扫描系统,可用于高分辨率三维成像和分析。分辨率可以达到1μm以下,理论上可用于细胞三维成像。另一优势在于系统内X光源,样品台和CCD相机之间的距离可以动态调整,使得样品放置空间可根据样品尺寸改变,实现最大的空间旋转扫描角度。

4 其他细胞三维成像显微镜及技术

显微成像技术正处于蓬勃发展时期,各种基于不同原理的技术层出不穷。

活细胞三维去卷积成像系统是另一种三维显微成像技术。采用宽场显微成像技术,厂家在生产时对成像系统中的每组镜头检测,使用时通过逆卷积技术将系统采集到的每一个光学信号还原至信号源,从而得到高清晰和高分辨的图像。区别于激光共聚焦显微镜的另外一种去模糊技术,却没有激光共聚焦显微成像技术所造成的长扫描时间和强光毒;另外得到的光信息很全也使得可以观察到激光共聚焦显微镜每个扫描平面之间无法观察到的部分,从而可以观察到更加细微的结构,并能实现定量的功能[28,29]。

5 总结

细胞是生命科学研究的中心点,细胞三维结构的重现对人们的科学研究起着关键的作用。广泛应用的激光共聚焦显微镜和超高分辨率的荧光显微镜成像,选择性地标记细胞内的特异性分子,以特异性分子的分布显示细胞的结构和功能的特性,光学层切特性结合计算机三维重建可以在三维空间观察细胞及细胞器和蛋白质复合物的立体结构。但荧光探针的特异性,染色对细胞形态可能造成的影响等仍是限制其发展的主要因素。电子显微镜呈现纳米量级的细胞结构,冷冻电镜克服传统电镜必须化学固定染色的局限,高压速冻保持细胞的天然含水状态,电子断层成像技术使电子显微技术从二维空间扩展到三维立体空间。目前,电子显微镜是获得亚细胞超微结构的最有力且最权威的武器。电子束的特性可以提高分辨率,但穿透性差只能对超薄切片成像,只能看到500～1000nm左右厚度的层片结构。X射线显微影像技术是发展潜力很大的显微成像技术。Nano-CT的概念一经出现即引起广泛关注,这种技术具有高空间分辨率、高穿透能力、成像机制多样等众多优点,在细胞成像方面,可以有效地弥补光学显微镜和电子显微镜之间的空白。

未来的发展一方面是显微影像技术的升级提高,在图像分辨率、成像衬度、速度以及真实再现活细胞生命状态等方面纵向深入;横向发展则需要和其他学科结合促进发展,荧光标记技术的发展,多样化和更精确定位的荧光探针可以使荧光显微镜有更大的应用空间,而其进步又会促进生物免疫等学科的发展。结合各种显微影像仪器和技术的不同特性开发新型仪器是一项极具前景的工作。将结构成像和功能成像结合,构造完整活细胞模型,实现准确定位特定功能区域,揭示结构和功能之间还未被深入了解的密切关系,是细胞三维显微成像领域未来的重要任务。

摘要：细胞三维结构的观察分析能提供更多细胞显微水平结构和功能的信息。现代显微影像仪器及相关的三维重建等技术是研究细胞三维结构的有力工具。本文概述多种可用于细胞三维结构观察的显微工具,简单介绍其原理、优势、最新技术动态及应用领域等。

观察细胞的结构(单元题) 篇3

关键词：细胞学 切片 行动导向课程 职业行动能力

基金项目：西安职业技术学院2014年基金项目?以商品花卉蝴蝶兰为起点的校企合作模式探索? （项目编号：2014YB05）

R329.1

在德国职业教育领域， 重视学生职业行动能力的培养是具有悠久历史的传统教育理念。德国马格德堡大学职业教育学与企业教育学研究所教授巴德教授认为：“在职业教育领域，职业行动能力是人类在职业情境中从事熟练而职业化的、个体深思熟虑的以及承担社会责任的行动的本领和状态，一方面它是个体在社会关系中的学习过程和发展过程的现实结果，另一方面也是个体能力继续开发的前提”[1]。也就是说， 职业行动能力属于课程开发操作层面上、 职业教育学的概念。德国职业行动能力的结构划分也独树一帜，在横向内容结构层面则包括专业能力、方法能力和社会能力[2]。

?植物生产与环境?课程讲述植物生长发育环境条件的调控知识与技术。“徒手切片制做及细胞结构观察”属于?植物生产与环境?的项目化教学模块之一。为提升本专业学生的职业行动能力，更好服务于职业需求，围绕“学习领域课程模式的目标——培养职业行动能力；学习领域课程内容的选择——行动领域；学习领域的课程实施——行动导向的教学范式”，设计了“徒手切片制做及细胞结构观察”的行动导向课堂教学模式。通过课外任务的开展，引入课堂项目，并以课外拓展加深学生对职业行动能力内涵的领悟。

1.课外任务

1.1 理论基础

细胞是植物体结构与功能的基本单位。细胞学说于1838年由德国植物学家Schleiden和动物学家Schwan提出，该学说指出，任何一个细胞都是从其他细胞中产生出来的；细胞是构成有机体的基本单位；植物和动物的细胞大致是相似的。细胞从结构上分为细胞壁、细胞膜、细胞质及细胞核。细胞器分布在细胞质基质中。细胞器主要包括：内质网、核糖体、高尔基体、溶酶体、线粒体、质体、微体、液泡、微管、微丝等。后含物是细胞原生质体代谢作用的产物，它们可以在细胞生活的不同时期产生和消失，其中有的是贮藏物，有的是废物。后含物主要包括淀粉、蛋白质、脂肪、丹宁、色素、晶体等。

植物细胞及后含物不仅是衡量植物生长发育状态的指标，也是联系食品、医药、纺织等行业的基础知识。项目“徒手切片制作及细胞结构观察”是在细胞学知识学习的基础上，为培养学生解决问题的专业能力、社会能力及方法能力而设计的行动导向课堂教学内容。

1.2课外任务

在基本理论知识掌握的基础上，为使学生对职业行动能力有初步概念，布置了课外任务“树叶黏贴画制作”，即以自然界五颜六色、千姿百态的树叶为原料，制作树叶黏贴画，看那组同学完成的最好。在这个过程中，重点关注：各组制作思路及方案（方法能力）、各组同学配合协作性（社会能力）、五颜六色的叶色形成的细胞学原因（专业能力），等（图1）。

“树叶黏贴画制作”任务完成后，教师对各小组的作品进行点评。可以发现，通过完成此课外任务，学生对贯穿于其中的专业能力、社会能力、方法能力有所领悟。

2.课内项目

2.1项目导入

俗语“磨刀不误砍柴工”、“授人以鱼不如授人以渔”的涵义？在学生思考讨论的基础上，正式引入职业行动能力的概念。职业行动能力所包含的专业能力不只是由与职业有关的知识和技能组成，迁移知识和将知识应用于新任务也属于此种能力。社会能力指合作、解决冲突、沟通以及互动能力。方法能力指能够将已学到的和使用过的技能和经验灵活地和创造性地应用到新的、至今还不熟悉的情景和行动领域中。行动导向课程的核心除了培养学生社会能力和方法能力之外，要培养学生在日后工作中必须具备的专业理论和实践能力（专业能力）。后者在解决复杂任务的过程中完成（图2）。

2.1 项目“徒手切片制作及细胞结构观察”实施

2.1.1资讯

此步骤中学生需独立了解项目概况以及项目开展所需知识基础，如植物细胞、细胞器、后含物，等，并通过查阅文献资料对项目实施过程，即取镜—切片—显微观察—生物绘图有所了解。掌握实施项目所需专业技术如显微镜使用保养方法、徒手切片制作、生物绘图等。对所需仪器材料如显微镜、载玻片、盖玻片、刀片、镊子、、洋葱、马铃薯、红辣椒、大葱、菠菜等有全面罗列。通过学生的这些学习活动可训练其独立行动能力。

2.1.2 计划

项目计划中的关键步骤如表1所示，此环节中以组为单位共同规划，以促进相互沟通，培养分析性思维。

2.1.3 决策

各小组派代表向全班同学讲解自己小组的项目实施方案，教师首先对各小组共性失误指正、纠错，再逐一讲解6个小组的个性失误。最后各小组修改项目实施方案，教师审核，方案定稿。此步骤旨在培养学生自主决策能力。

2.1.4实施

学生在实验室开始切片、观察及绘图（专业能力训练）。但计划没有变化快，项目实施过程中，会不断出现新问题，新状况，项目如何继续呢？此时，需要教师指出解决思路：学生需检查、反思项目实施过程中可能出现的问题及漏洞，并学习新的理论知识和操作技能，解决问题。

2.1.5 检查

项目实施过程中，常见问题及解决思路如下：

总之，兵来将挡，水来土掩。熟悉解决问题基本思路（方法能力训练）之后，徒手切片制作及细胞结构观察项目顺利完成。

2.1.6评价

评价体系由以下几部分构成（表2）。评价体系贯穿整个完整行动模型，并以方法能力的考核为重点。

3. 课后拓展

在课外任务“树叶黏贴画制作”及课内项目“徒手切片制作及细胞结构观察”完成的基础上，为巩固学生对职业行动能力所包含的方法能力、社会能力及专业能力的理解，并为下一个项目“植物组织、器官切片制作及结构观察”的实施做准备，公布本节相关知识的一些网络链接，布置课后预习任务，以拓展学生知识结构的内涵及外延。

德国职业教育界围绕如何培养职业行动能力提出了“行动导向” 教学原则，根据其理念，学习领域的课程模式，应建设成真正意义上的工作过程系统化、行动导向的课程模式[5]。学生通过与真实工作情境相联系的行动领域的学习，以最快的速度获取包括专业能力、方法能力和社会能力的职业能力。學习领域课程应是为职业行动能力的培养而设计的。我们在借鉴其理念的基础上，通过“徒手切片制作及细胞结构观察”项目的实施，尝试了行动导向的课堂教学模式，以期在植物细胞学知识学习及操作技能训练的基础上，培养学生走上工作岗位后解决问题的专业能力、方法能力及社会能力。

参考文献

[1] 宋春燕，罗小平. 以培养职业行动能力为核心的学习领域课程模式[J].广东技术师范学院学报， 2008（8）：1-4

[2] 徐塑，吴霏. 职业能力及其培养的有效途径[J].职业技术教育，2012（10）：36-39

[3] 徐礼英. 项目教学法在植物生长与环境实践教学中的应用[J]. 芜湖职业技术学院学报， 2010，12（4）：88-89.

[4] 杨青. 职业能力与职业行动能力关系分析[J].职教通讯，2011（14）：66-68

[5] 李军，叶波. 学习独立工作和自主学习[J].十堰职业技术学院学报， 2011（1）：14-17