生物原子力顯微鏡vs 電子顯微鏡：誰更適合生物樣品
2026-09-30
生物樣品微觀觀測需求多樣，生物原子力顯微鏡與電子顯微鏡都是微觀表征設備，二者成像原理、樣品制備要求、成像環境、可獲取信息類型差異顯著，不存在絕對優劣，選型核心在于樣品類型、觀測目標，需要結合兩類設備特性判斷哪一種更適配生物樣品觀測。
電子顯微鏡依靠高能電子束照射樣品，電子與樣品相互作用產生信號，通過透鏡系統聚焦信號形成圖像。電子束波長很短，具備很高空間分辨能力，可以觀測納米尺度精細結構。但是設備工作環境要求高，鏡筒內部需要維持高真空環境。含水生物樣品直接放入真空環境，水分會快速氣化，破壞樣品原生結構。常規觀測時，生物樣品需要經過固定、脫水、包埋、切片或者噴鍍處理，樣品原有含水狀態被改變，觀測到的是經過化學處理之后的結構，很難保留活體原生形態。電子顯微鏡成像主要獲取樣品形貌，部分模式可以采集元素相關信息，但是很難得到樣品表面力學特性。高能電子束會對生物樣品造成輻照損傷，柔軟生物大分子、薄膜結構容易在電子束照射下發生結構破壞。
生物原子力顯微鏡依靠微小探針在樣品表面掃描，探針和樣品表面發生相互作用，檢測作用力變化，繪制樣品表面三維形貌圖像。成像不需要真空環境，可以在液體環境下開展觀測，能夠模擬生物樣品生理水環境，觀測含水狀態下樣品，甚至實現活體生物樣品動態過程觀測，保留樣品原生含水結構。除表面形貌之外，原子力顯微鏡可以同步獲取樣品表面力學信息，得到樣品局部硬度、粘附力等參數，這是電子顯微鏡無法直接提供的信息。它的局限在于，成像范圍較小，掃描速度偏慢；探針本身存在幾何尺寸限制，對于極精細結構分辨能力弱于電子顯微鏡；探針掃描過程，柔軟生物樣品可能被探針擠壓，造成樣品形變，帶來成像偽影。
對比二者樣品制備難度。電子顯微鏡生物樣品制備流程繁瑣，多步化學處理耗時較長，每一步處理都有可能改變樣品原始結構，制備工藝本身會引入人為假象。生物原子力顯微鏡樣品制備相對簡單，很多含水樣品只需要固定在基底上，置于液相池內就可以觀測，大幅減少化學處理步驟，降低樣品結構失真風險。
觀測目標是選型核心。如果目標是觀察生物樣品內部納米精細結構，需要超高分辨率成像，樣品可以接受脫水固定處理，優先選擇電子顯微鏡。例如病毒精細外殼結構、細胞內部細胞器超微結構觀測，電子顯微鏡優勢明顯。如果需要觀察樣品在生理含水環境下的表面三維形態，追蹤生物結構動態變化過程，或是需要同時測試樣品表面力學性質，生物原子力顯微鏡更加合適。比如細胞膜表面形貌動態變化、生物大分子力學特性、水凝膠生物材料表面形變觀測，原子力顯微鏡更適配。
兩種設備不是替代關系，很多生物研究中會搭配使用。電子顯微鏡提供高分辨靜態內部結構信息，原子力顯微鏡提供液相環境下表面形貌與力學數據，互相補充驗證。在開展生物樣品微觀表征前，首先明確研究目標：需要的是超高分辨干燥樣品內部結構，還是含水原生狀態下表面形貌與力學信息，以此確定設備，選擇對應的觀測方案，獲得符合研究需求的表征結果。
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