史軍娜 劉美芹
摘 ?要 掃描電子顯微鏡是進(jìn)行微觀形貌分析的大型貴重儀器,在林業(yè)院校的教學(xué)和科研中發(fā)揮著重要作用。闡述掃描電子顯微鏡以及林業(yè)院校顯微實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn),重點(diǎn)以北京林業(yè)大學(xué)公共分析測(cè)試中心掃描電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例,詳細(xì)介紹掃描電子顯微鏡在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用,并對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行總結(jié)和分析。
關(guān)鍵詞 掃描電子顯微鏡;林業(yè)院校;實(shí)驗(yàn)教學(xué);大型儀器
中圖分類(lèi)號(hào):G642.423 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
文章編號(hào):1671-489X(2019)12-0041-03
Application of Scanning Electron Microscope in Forestry Uni-versity Experimental Teaching//SHI Junna, LIU Meiqin
Abstract Scanning electron microscopy is a large-scale valuable instrument for microscopic morphology analysis, which plays an important role in the teaching and research of forestry colleges. The characteristics of scanning electron microscopy and microscopic experiment teaching in forestry university were described. Taking scanning electron microscope experiment teaching in public analysis
test center of Beijing Forestry University as an example, the applica-
tion of scanning electron microscope in experimental teaching is introduced, and the teaching effect is summarized and analyzed.
Key words scanning electron microscope; forestry university; expe-rimental teaching; large-scale equipment
1 前言
電子顯微技術(shù)作為一門(mén)現(xiàn)代顯微學(xué)科,是人們探測(cè)微觀世界的一種新手段。在顯微結(jié)構(gòu)分析的眾多大型精密儀器中,掃描電子顯微鏡在科研服務(wù)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮重要作用,是高等院校及科研院所不可或缺的資源[1]。北京林業(yè)大學(xué)公共分析測(cè)試中心共有兩臺(tái)掃描電子顯微鏡,分別是鎢燈絲掃描電鏡(HITACH S-3400N)和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(HITACH SU8010),主要為全校師生的科研、教學(xué)以及對(duì)外提供分析測(cè)試服務(wù)。然而當(dāng)前學(xué)生使用掃描電鏡受到很大限制,原因主要有:
1)多個(gè)學(xué)科需要借助掃描電鏡開(kāi)展科研工作,使用人數(shù)眾多;
2)掃描電鏡價(jià)格昂貴,而且僅有兩臺(tái),數(shù)量有限;
3)掃描電鏡操作復(fù)雜以及學(xué)生上機(jī)操作時(shí)間有限。
為了提高掃描電鏡的利用率,充分發(fā)揮掃描電鏡在學(xué)校的教學(xué)、科研和社會(huì)服務(wù)中的作用,公共分析測(cè)試中心顯微室開(kāi)設(shè)了針對(duì)多個(gè)專(zhuān)業(yè)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)課程。本文主要結(jié)合掃描電鏡及林業(yè)院校顯微實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn),探討掃描電鏡在林業(yè)院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用及效果。
2 掃描電子顯微鏡的特點(diǎn)
掃描電子顯微鏡的工作原理主要是借助聚焦的電子束轟擊樣品表面,利用轟擊產(chǎn)生的二次電子及背散射電子等觀察分析樣品的表面形貌[2]。掃描電子顯微鏡的優(yōu)勢(shì)主要有六個(gè):
1)高分辨率;
2)高放大倍數(shù),倍數(shù)連續(xù)可調(diào);
3)景深和視野大,圖像具有立體感;
4)對(duì)樣品具有廣泛適應(yīng)性;
5)樣品制備簡(jiǎn)單,能直接觀察大塊樣品和金屬導(dǎo)電樣品,非導(dǎo)電樣品只需鍍上金屬膜或碳膜即可觀察;
6)可以進(jìn)行多功能分析,配能譜儀、光譜儀和波譜儀等附件的掃描電鏡在觀察形貌的同時(shí),可以進(jìn)行微區(qū)成分分析[3]。
3 林業(yè)院校顯微實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)
以北京林業(yè)大學(xué)為例,學(xué)校主要以生物學(xué)和生態(tài)學(xué)為基礎(chǔ),以林學(xué)和風(fēng)景園林學(xué)為特色,多個(gè)學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展。因此,必須結(jié)合林業(yè)院校的專(zhuān)業(yè)特色和研究領(lǐng)域,構(gòu)建林業(yè)教學(xué)體系,開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)[4-5]。掃描電鏡在林業(yè)院校被廣泛應(yīng)用于生物、材料、環(huán)境和林學(xué)等學(xué)科中。
在植物學(xué)方面,利用掃描電鏡觀察葉片、花芽和花粉等組織器官,解決形態(tài)解剖及分類(lèi)問(wèn)題,研究基因工程對(duì)植物形態(tài)的影響及不良環(huán)境對(duì)植物的損傷等。
在昆蟲(chóng)學(xué)研究方面,利用掃描電鏡觀察昆蟲(chóng)的感受器、消化系統(tǒng)、幼蟲(chóng)等,研究形態(tài)與功能的關(guān)系,解決分類(lèi)問(wèn)題。
在植物病理學(xué)方面,利用掃描電鏡觀察病原菌形態(tài)以及對(duì)寄主的浸染過(guò)程,觀察真菌孢子的萌發(fā)、菌絲生長(zhǎng)、附著孢的形成,研究寄主植物與病原菌的相互作用等。
在木材學(xué)研究領(lǐng)域,掃描電子顯微鏡主要在以下方面廣泛應(yīng)用:
1)借助掃描電鏡研究木材物理、化學(xué)、力學(xué)及解剖學(xué)方面的性質(zhì),為改良樹(shù)種及改性木材提供科學(xué)依據(jù);
2)借助掃描電鏡觀察木材和木材單板超微結(jié)構(gòu),對(duì)木質(zhì)材料的表面劣化進(jìn)行研究,探尋有效的防護(hù)處理方法;
3)利用掃描電鏡觀察木纖維聚合板的斷面和結(jié)合面、復(fù)合材料人造板的界面及人造板中纖維或刨花在加工過(guò)程中的變化,為改進(jìn)人造板加工工藝提供科學(xué)依據(jù)。
在環(huán)境科學(xué)方面,利用掃描電鏡觀察大氣污染顆粒物的大小、形貌以及利用掃描電鏡能譜儀解析顆粒物的元素組成。通過(guò)掃描電鏡觀察人工合成的正滲透平板膜、中空纖維膜、反滲透膜等膜材料的表面粗糙度、厚度、斷面特征、孔徑大小,研究膜材料在使用前后的污染程度。研究環(huán)境功能材料(如VOC吸附劑、VOC催化劑、高級(jí)氧化催化劑、CO2吸附劑、氮氧化物存儲(chǔ)及催化材料、重金屬離子吸附劑、還原劑)、干燥污泥和菌群等物質(zhì)的形貌特征,通過(guò)研究環(huán)境功能材料的形貌、粒徑變化,推測(cè)材料形貌的生長(zhǎng)機(jī)理及涉及的反應(yīng)機(jī)理。將掃描電鏡與能譜儀聯(lián)合,研究環(huán)境功能材料的元素組分、含量及分布情況等。
在食品科學(xué)方面,觀察各種淀粉顆粒與食用纖維、各種加工前后的食品與奶制品中的顆粒成分等,幫助提高產(chǎn)品質(zhì)量,優(yōu)化加工工藝。此外,掃描電鏡還廣泛應(yīng)用于食品保存、食品微生物、食品病原體等研究領(lǐng)域。
在土壤學(xué)方面,觀察多種土壤的抗壓強(qiáng)度、孔隙結(jié)構(gòu)和粒徑大小等;觀察經(jīng)過(guò)化學(xué)物質(zhì)處理的土壤粒徑大小和粒徑結(jié)合狀態(tài);利用掃描電鏡結(jié)合能譜儀觀察重金屬污染的土壤的微觀結(jié)構(gòu)及進(jìn)行微區(qū)元素分析。
由于掃描電鏡在上面列舉的林業(yè)院校多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,涉及的樣品種類(lèi)、制備方法及操作技術(shù)繁多,必須在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中針對(duì)林業(yè)院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)特色的研究對(duì)象采用相應(yīng)的樣品制備技術(shù)和上機(jī)操作技術(shù)[6-7]。此外,林業(yè)院校的生物、材料、環(huán)境和林學(xué)等都是實(shí)踐性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè),學(xué)生必須具備較強(qiáng)的動(dòng)手能力和科研能力,能夠操作掃描電鏡正是這些專(zhuān)業(yè)開(kāi)展科研工作的基礎(chǔ)。
4 掃描電子顯微鏡在林業(yè)院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用
掃描電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括理論和實(shí)驗(yàn)兩部分。理論部分主要包括掃描電鏡簡(jiǎn)介、結(jié)構(gòu)功能、工作原理、性能參數(shù)、樣品制備及微區(qū)分析等理論知識(shí)的講解。實(shí)驗(yàn)部分主要注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。學(xué)生必須嚴(yán)格按照掃描電鏡生物樣品的制備流程操作,然后將制備好的樣品放入儀器,上機(jī)操作。在教學(xué)過(guò)程中,首先需要對(duì)掃描電鏡的基礎(chǔ)知識(shí)、工作原理和結(jié)構(gòu)、樣品的制備技術(shù)以及專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)等利用多媒體技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)講解,加強(qiáng)學(xué)生的理論知識(shí)儲(chǔ)備,為后面的實(shí)驗(yàn)操作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[8]。
實(shí)驗(yàn)操作首先就是讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何制備樣品,能夠針對(duì)樣品的特點(diǎn),選擇相應(yīng)的制備方法。林業(yè)院校主要是一些生物類(lèi)樣品,常規(guī)的樣品制備流程主要包括樣品的清潔、固定、脫水、干燥、粘樣和噴鍍。實(shí)驗(yàn)課上提供多種生物樣品,學(xué)生也可以自備樣品。根據(jù)不同樣品的特點(diǎn),在常規(guī)生物樣品制備的基礎(chǔ)上調(diào)整實(shí)驗(yàn)方法,如固定液、脫水劑的選擇,固定、脫水時(shí)間以及干燥方法的選擇等。
其次,先將儀器的硬件、軟件以及操作流程和注意事項(xiàng)等向?qū)W生詳細(xì)講述,再進(jìn)行上機(jī)演示。學(xué)生必須根據(jù)樣品的特點(diǎn)調(diào)節(jié)儀器的拍照參數(shù),直到能夠拍出滿(mǎn)意的圖像為止,教師在場(chǎng)全程陪同,對(duì)學(xué)生不明白的地方進(jìn)行指導(dǎo),一旦發(fā)現(xiàn)不規(guī)范的操作及時(shí)指出并給予糾正。
最后,對(duì)學(xué)生上機(jī)操作進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考核。為保證每個(gè)學(xué)生都有動(dòng)手操作的機(jī)會(huì),將實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生分成3~4人一組,在樣品制備及上機(jī)部分要求學(xué)生必須親自動(dòng)手操作。
為了鞏固學(xué)習(xí)效果以及培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)手的能力,為后面的科研打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),除上機(jī)考核外還采取以下考核辦法:
1)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告,要求詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析;
2)在對(duì)儀器的原理和結(jié)構(gòu)了解的基礎(chǔ)上,結(jié)合以后的研究方向查閱相關(guān)文獻(xiàn),寫(xiě)一篇如何利用掃描電鏡在相關(guān)研究領(lǐng)域開(kāi)展工作的綜述。
5 掃描電子顯微鏡應(yīng)用在林業(yè)院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的效果
通過(guò)開(kāi)展掃描電鏡的實(shí)驗(yàn)教學(xué),學(xué)生對(duì)掃描電鏡的結(jié)構(gòu)功能、工作原理和用途等有了深刻理解,實(shí)驗(yàn)動(dòng)手及上機(jī)操作能力明顯提高。以?huà)呙桦婄R為代表,對(duì)大型儀器有了更深入了解,在課程學(xué)習(xí)中逐漸形成自己的科研思路,將大型儀器應(yīng)用到以后的科研工作中。教學(xué)效果體現(xiàn)在多個(gè)方面。
專(zhuān)業(yè)技能得到提高 ?課程注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力,使學(xué)生在了解掃描電鏡結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上,能夠獨(dú)立操作儀器。
實(shí)踐能力得到提高 ?隨著越來(lái)越多的單位購(gòu)置大型儀器,就業(yè)市場(chǎng)上能夠操作大型儀器的畢業(yè)生就會(huì)具有更多的就業(yè)機(jī)會(huì)。大型儀器因?yàn)閮r(jià)格昂貴、操作較復(fù)雜等,學(xué)生上機(jī)操作的機(jī)會(huì)并不多。通過(guò)這門(mén)課程的學(xué)習(xí),學(xué)生掌握一門(mén)大型儀器的操作技能,在就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中更有優(yōu)勢(shì)。
科研興趣和思路得到培養(yǎng) ?掃描電鏡是一種先進(jìn)的微觀形貌表征方法和測(cè)量手段,得到的圖像直觀、豐富、立體感強(qiáng)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,將花粉、動(dòng)物毛發(fā)、昆蟲(chóng)復(fù)眼、多種紙張等日常能夠接觸到的材料作為實(shí)驗(yàn)樣品上機(jī)觀察,這些有趣的微觀形貌極大地增強(qiáng)了學(xué)生的興趣。同時(shí),鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和研究方向自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、自備樣品上機(jī)操作,在這個(gè)過(guò)程中,學(xué)生的科研思路得以鍛煉。
掃描電鏡的使用效率大大提高 ?由于選課學(xué)生較多,這些通過(guò)考核的學(xué)生在后期預(yù)約使用儀器時(shí)可以直接上機(jī)操作,減少了多次培訓(xùn)占用的時(shí)間。而且,這些學(xué)生可以在非工作時(shí)間上機(jī)操作儀器,極大地提高了儀器的使用效率。
6 結(jié)語(yǔ)
掃描電子顯微鏡是現(xiàn)代科研和教學(xué)中不可缺少的工具和手段。以?huà)呙桦娮语@微鏡為硬件基礎(chǔ),以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為核心,兼顧科研和社會(huì)服務(wù),在林業(yè)院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入掃描電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué),讓教學(xué)和科研理論與實(shí)踐有效結(jié)合,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高儀器使用效率,更好地為教學(xué)和科研服務(wù)。
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