电子显微镜，简称电镜，英文名Electron Microscope（简称EM），经过五十多年的发展已成为现代科学技术中不可缺少的重要工具。电子显微镜由镜筒、真空装置和电源柜三部分组成。
与其天涯思君，恋恋不舍
想象一下假如世界失去了色彩只剩下黑白灰的组合我们眼前的风景会变成什么样在电子显微镜下我们所能看到的就是这样一个世界电子显微镜能帮助我们观察微小的病毒细胞超微结构但它只能得到黑白的灰度图片
而在最近加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究者们研发了一种新技术使得用电镜拍彩照成为了可能他们用特殊染料标记样品得到了多色的电镜成像这是怎么做到的呢
图片来自S. R. Adams et al
没有色彩的电镜世界
在过去光学显微镜带领着人们第一次走进了肉眼不可辨别的微观世界微生物和各种生命体内的微观结构开始为人所知不过当人们需要观察更加微小的结构时光学显微镜的放大倍数就显得不够用了受到衍射的影响光学显微镜的分辨极限大约在200 nm在此基础上即使再去放大也无法看到清晰的成像了为进一步提高分辨率科学家们就用波长短得多的电子束替代了可见光制造出了电子显微镜电子显微镜使微观成像的分辨达到了 0.1 nm这项重要的技术的研发者1986年获得了诺贝尔物理学奖
然而电子显微镜也有自己的缺点这是一个没有色彩的黑白世界可见光有不同色彩我们也可以很方便地给生物组织的特定成分加上染色或是荧光标记而电镜获得的图像是反映电子多少（即亮度）的灰度图其中没有色彩信息当然人们可以给电镜图片进行后期上色但这样的上色并不能选择性地突出所要观察的结构如果原图中的灰度差别不大后期上色也会很难将它们分开
这张色彩梦幻的噬菌体图片来自透射电子显微镜它的颜色就是伪彩色图片来自Sterling Publishing
为了让电镜图片更加突出重点科学家们已经做出了很多努力例如加入重金属来提高对比度生物主要是由碳氢氧氮这样比较轻的元素构成电子透过得到的图像对比度较低（就像是一幅淡淡的铅笔画）而如果用重金属（如锇铀或者铅）把背景染成深色或是让它们与脂质或蛋白质进行结合就可以得到更加黑白分明的图像但是这样做依然无法重点区分特定的生物分子还有科学家尝试将这些重金属颗粒与抗体结合让它们结合到特定的生物分子上去但这种标签难以进入细胞因此适用范围还是有限
负染法示意图图片来自quazoo.com
为黑白图像染上颜色
而这一次研究者们带来了一些为电镜图片染色的新思路他们给染料分子连上了不同的镧系金属元素并让这些染料沉淀到特异性标记的周围虽然电子显微镜下依然没有真正意义上的色彩但通过投射电子的能量损失不同这些染料可以产生彼此区分的信号这样一来就相当于给样品加上了不同的色彩标签
研究者们将显色剂二氨基联苯与镧系金属耦合在一起作为电子显微镜的特制染料想要标记生物分子时就给对应的抗体连上荧光集团或是氧化酶分子再通过光或者酶来诱发反应让染料沉积到目标周围在完成染色之后再按照常规的氧化锇负染以增强对比度进行电镜成像
Ln-DAB2染料和染色方法用带有氧化分子（红色为荧光分子绿色为辣根过氧化酶）的抗体特异性标记目标分子（图中为红色标记线粒体和绿色标记核膜）分别让不同的Ln-DAB2染料在抗体附近原位氧化沉淀再经过常规样品处理并分别成像使用计算机处理得到彩色图像
在成像时研究者用一束动能一致的电子投射到样品上当电子通过样品时会与其中的原子发生碰撞进而损失一部分能量在用不同染料处理过的地方电子的能量损失会产生明显的差异通过检测这些差异就可以让染色位置从背景中脱颖而出了通过计算机处理将不同染料对应的信号分别转换成不同的伪彩色再与原始的黑白电镜图片叠加这样就得到了我们在开头处看到的电镜彩照
彩色电镜分别成像A为传统电镜图C和D分别为标记的线粒体和细胞膜E是伪彩叠加图
闹了半天颜色还是假的的确区分了能量差异电子束依然没有真正的颜色不过与纯靠想象的后期上色相比染料的标记还是起了很大作用论文作者证明这种方法可以分别用于细胞和组织的染色并足以将不同的分子标记从传统的黑白电镜成像中分离出来
彩色电镜的应用星形胶质细胞分享突触结构图（F）细胞透膜肽介导的内吞囊泡图（H）新合成PKM 在神经元中的定位图（D）
目前这种方法还只能在拍出三种色彩它们分别被标记为红色绿色和黄色研究者希望将来还能加入更多颜色种类进一步提高图像的对比度
在过去二十年中超高分辨荧光显微成像技术正突破着光学显微镜的成像极限而现在电子显微镜的世界也变得多彩了起来这些技术的进步都将带领科学家们更深入地了解细胞内部的精细构造揭开更多微观世界的生命奥秘