扫描透射电子显微镜技术及其在中药研究中的应用

扫描透射电子显微镜技术及其在中药研究中的应用

李娜

山东医药技师学院

摘要：近年来，激光聚焦技术已成为现代科学的重要技术工具，在等离子体物理学、分子生物学、发展生物学、神经科学、药学、遗传学和环境科学等领域得到广泛应用。本文阐述并分析了STEM技术的原理及其在广西药物研究领域的应用。

关键词：扫描透射电子显微镜技术；中药研究；应用

引言

随着现代科学技术的发展，电子显微镜技术已成为研究纳米微观领域必不可少的有力工具.尤其是电子成像技术的跟进，使得原子领域的研究越来越成为可能.扫描透射电子显微镜（STEM）是目前最为流行及应用广泛的显微表征方式和测试手段之一，其兼具扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）的优点，结合辅助配件的优势，在高分辨成像及生物大分子分析方面的应用广泛.1938年，西门子公司成功研制了世界上第一台扫描结合透射功能的电子显微镜.1988年，借助100kV加速电压，利用VGHB501STEM，首次连续观测到了包含YBa2Cu3O7-x和ErBa2Cu3O7-x低分辨指数晶带轴的高分辨STEM图像.以此，STEM的成像在原子分辨率水平上达到了一定高度.近年来，随着球差校正技术的出现及发展，STEM成像的分辨率和探测敏感度都有了极大提高，接近并达到亚埃水平，使得单原子的成像成为了可能，为解决许多材料科学中的疑难问题（如中药研发等）提供新的视野.

1原理

该系统由一组观测、分析和输出系统组成，由显微镜光学、激光光源、扫描仪和系统元件组成，这些元件利用一个良好配合的激光作为光源，采用传统光学显微镜概念和具有共同轭聚焦的装置，并利用计算机对象进行加工。激光扫描仪通过栅格孔形成点光源，将光线反射到对象的镜像上，聚焦实例并进行扫描。触发图案后，荧光灯会再次聚集到探针孔中，并通过无线电倍增管转换成电报，在计算机上显示为聚焦平面图像。光强通过栅格孔集中在图案上，荧光通过对象反射镜集中在笔孔上，从而产生两个聚焦，称为激光显微镜。普通生物条纹很复杂，厚度很大。如果用普通荧光显微镜观察它们，样品发出的荧光会重叠，大大降低图像分辨率。聚焦系统图像可防止漫反射光和非测量光进入探测器，从而产生单个聚焦图像，大大提高分辨率。水平方向上问讯台的均匀移动会创建一个平面垂直移动的一维图像。从而实现了具有不同深度图案的分级扫描，对所采集的三维结构(称为光学CT)进行三维重建。对荧光管样品进行标记，然后使用系统观测，不仅对固体细胞和组织结构进行定量监测和测量，还对活细胞的形状、结构、离子等进行定量监测和测量。

2HAADF像

HAADF-STEM也称为元素衬度像，很早就被广泛地用于倾转系列像的三维重构.倾转系列像的三维重构也涉及景深，如景深深度小于样品厚度时，HAADF像将从样品的内部结构线性投影变为样品内的某一深度光学层析.HAADF像信号源来自高角度散射电子，主要发生卢瑟福散射，它散射角度的大小受样品中的原子序数影响较大，信号强度则与样品的原子序数呈现较好的线性关系.研究纳米尺度的景深下，原子分辨率的三维重构可行性.发现景深小于样品的厚度时，三维重构只能正确重构与样品中入射电子束的景深呈正相关的局部区域，研究还发现了它实际的正确重构区域，存在提前的聚焦现象，偏离的程度与样品的内原子序数、会聚角、加速电压都有关.当原子序数或会聚角越大，其与聚焦位置的偏离就越大.HAADF-STEM不仅可以分辨出晶体结构内部的空间原子种类分布，还可直接显示出晶体内各原子种类的缺陷结构.通过对稀土类碲化物LaTe2−δ的体系结构进行系统TEM分析，对高精度的实空间进行直接观察.结果表明，LaTe2−δ的空位序形成可完全抑制体系中的电荷密度波转变，且两种调制结构可以以相分离形式存在.

3在中药研究中的应用

3.1中药残渣重复利用研究

在高性能催化剂的开发中，制备具有宽pH响应且性能优于贵金属的碳基氧还原反应（ORR）催化剂一直是一项艰巨的挑战.草药残留物直接合成N，P共掺杂的多孔空心碳球（NH3-NPCS900）的方法.STEM研究表明，其特点是在氨（NH3）存在下，N含量显著提高，形成了分级多孔结构和较大的比表面积（984.7m2/g）.由于这些特点的协同效应，NH3-NPCS-900催化剂在酸性（E1/2=0.615V）和碱性溶液（E1/2=0.862V）中表现出优异的ORR催化活性.并且含有NH3-NPCS-900的锌空气电池表现出高峰值功率密度（188MW/cm2）和更好的循环耐久性（>180h），显示出其应用潜力和前景.该研究为如何从生物质中开发具有高效ORR催化活性的多孔碳提供了有价值的方向和见解.

3.2中药提取物纳米颗粒载体研究

Al-Radadi使用橄榄油、甘草根（Glycyrrhizaglabra）和椰子油（OLC）的提取液，采用植物提取物介导的方法合成了（Fe@Au）纳米颗粒（如图4所示）.这些提取物在核壳纳米粒子形成过程中充当还原剂，为特定靶细胞提供长期稳定性、较低毒性和较高渗透性环境.Fe@Au磁性纳米核壳（NPs）使用紫外可见光谱、EDS、X射线衍射（XRD）、高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、高效液相色谱（HPLC）进行表征.经研究证实微波辐射对其合成速率有极大促进作用.通过HAADF-STEM技术发现合成的铁纳米粒子具有小尺寸、规则球形和均匀的形态.并且显示出优异的抗氧化性能和较大的抑菌率，对抑制幽门螺杆菌（H.pylori）和溃疡有效.使用来自Dictyosphaeriumsp.的藻类提取物通过绿色方法合成金纳米粒子（AuNPs）和负载薯蓣皂苷元（Dio-AuNPs）的新型金纳米制剂.经STEM研究表明，AuNPs和Dio-AuNPs具有球形形态，平均尺寸范围分别为（7.9±2.4）nm和（10.3±2.4）nm.此外，使用磺基罗丹明B（SRB）增殖方法测定了AuNPs和Dio-AuNPs对结肠直肠癌细胞系HCT116和乳腺癌细胞系HCC1954的体外抗增殖活性.结果表明在HCT116和HCC1954细胞系中，Dio-AuNPs的抗增殖活性非常明显，两种细胞系的GI50值分别为（1.03±0.27）µg/mL和（1.69±0.18）µg/mL.AuNPs的效率与Dio-AuNPs相比，几乎低18倍.另外，其他研究也表明生物合成的金纳米粒子和装载薯蓣皂苷元的新型金纳米制剂在结肠直肠癌细胞系和乳腺癌细胞系中具有抗增殖活性，并且薯蓣皂苷元和金纳米粒子在结合使用时可以极大提高其抗癌活性.

结束语

目前，STEM成像的空间分辨率已达到亚埃级，这使其成为材料微结构和微区元素分析中不可或缺的有力工具.本文对STEM的成像及相关技术的特点进行介绍，评述了其在中药显微结构和药理分析等方面的应用，对中药材的显微结构分析、药效开发和推广具有十分重要的意义.同时，STEM技术也存在较多的问题.如维护使用成本高，技术壁垒仍然存在.利用率不高，导致研究领域相对狭窄.目前针对仪器的使用问题，很多省级部门正在推行仪器共享平台，如浙江省大型仪器共享平台，通过这些平台可以构建实验室仪器设备使用的联网，提高仪器使用率的同时，加速科研创新的发展，提高我国的科研实力.

参考文献

[1]陈林林.基于STAT3抑制作用的中药活性成分筛选及其抗肿瘤恶病质作用研究[D].上海交通大学,2020.

[2]王启龙.基于免疫亲和色谱的中药多糖活性筛选与构效关系研究[D].江苏大学,2019.

[3]杨龙飞.抗白色念珠菌中药小分子的发现及相关机制研究[D].吉林大学,2019.

[4]陈玉秀.中药传统技能大赛显微鉴别项目培训体会[J].现代职业教育,2019(11):192-193.

[5]杨来庆,张沧霞,谢立科,郝晓凤,明静,孙会兰,李晓宇.显微镜直视下巩膜外加压联合中药治疗孔源性视网膜脱离临床观察[J].中医临床研究,2019,11(02):121-123.