生物原子力显微镜vs 电子显微镜：谁更适合生物样品
2026-09-30
生物样品微观观测需求多样，生物原子力显微镜与电子显微镜都是微观表征设备，二者成像原理、样品制备要求、成像环境、可获取信息类型差异显著，不存在绝对优劣，选型核心在于样品类型、观测目标，需要结合两类设备特性判断哪一种更适配生物样品观测。
电子显微镜依靠高能电子束照射样品，电子与样品相互作用产生信号，通过透镜系统聚焦信号形成图像。电子束波长很短，具备很高空间分辨能力，可以观测纳米尺度精细结构。但是设备工作环境要求高，镜筒内部需要维持高真空环境。含水生物样品直接放入真空环境，水分会快速气化，破坏样品原生结构。常规观测时，生物样品需要经过固定、脱水、包埋、切片或者喷镀处理，样品原有含水状态被改变，观测到的是经过化学处理之后的结构，很难保留活体原生形态。电子显微镜成像主要获取样品形貌，部分模式可以采集元素相关信息，但是很难得到样品表面力学特性。高能电子束会对生物样品造成辐照损伤，柔软生物大分子、薄膜结构容易在电子束照射下发生结构破坏。
生物原子力显微镜依靠微小探针在样品表面扫描，探针和样品表面发生相互作用，检测作用力变化，绘制样品表面三维形貌图像。成像不需要真空环境，可以在液体环境下开展观测，能够模拟生物样品生理水环境，观测含水状态下样品，甚至实现活体生物样品动态过程观测，保留样品原生含水结构。除表面形貌之外，原子力显微镜可以同步获取样品表面力学信息，得到样品局部硬度、粘附力等参数，这是电子显微镜无法直接提供的信息。它的局限在于，成像范围较小，扫描速度偏慢；探针本身存在几何尺寸限制，对于极精细结构分辨能力弱于电子显微镜；探针扫描过程，柔软生物样品可能被探针挤压，造成样品形变，带来成像伪影。
对比二者样品制备难度。电子显微镜生物样品制备流程繁琐，多步化学处理耗时较长，每一步处理都有可能改变样品原始结构，制备工艺本身会引入人为假象。生物原子力显微镜样品制备相对简单，很多含水样品只需要固定在基底上，置于液相池内就可以观测，大幅减少化学处理步骤，降低样品结构失真风险。
观测目标是选型核心。如果目标是观察生物样品内部纳米精细结构，需要超高分辨率成像，样品可以接受脱水固定处理，优先选择电子显微镜。例如病毒精细外壳结构、细胞内部细胞器超微结构观测，电子显微镜优势明显。如果需要观察样品在生理含水环境下的表面三维形态，追踪生物结构动态变化过程，或是需要同时测试样品表面力学性质，生物原子力显微镜更加合适。比如细胞膜表面形貌动态变化、生物大分子力学特性、水凝胶生物材料表面形变观测，原子力显微镜更适配。
两种设备不是替代关系，很多生物研究中会搭配使用。电子显微镜提供高分辨静态内部结构信息，原子力显微镜提供液相环境下表面形貌与力学数据，互相补充验证。在开展生物样品微观表征前，首先明确研究目标：需要的是超高分辨干燥样品内部结构，还是含水原生状态下表面形貌与力学信息，以此确定设备，选择对应的观测方案，获得符合研究需求的表征结果。
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