$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) wykorzystuje skupioną wiązkę wysokoenergetycznych elektronów do generowania obrazu z elektronów wtórnych, który pokazuje morfologię i topografię próbki1. SEM może być używany do bezpośredniego określania fizycznego rozmiaru próbki, struktury powierzchni i trójwymiarowego kształtu, a także oferuje większą rozdzielczość i większą głębię ostrości w porównaniu z mikroskopią świetlną. Inna forma mikroskopii elektronowej (EM), transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM), wykorzystuje skupione elektrony, które przechodzą przez próbkę, generując obrazy z drobnymi szczegółami struktury wewnętrznej. Chociaż TEM ma wyższą rozdzielczość niż światło lub SEM i może być używany do rozdzielania struktur tak małych jak pojedyncze atomy, ma trzy główne wady: obszerne przygotowanie próbki, małe pole widzenia i płytką głębię ostrości2,3. Chociaż istnieją inne wizualizowane protokoły wykorzystujące SEM do badania określonych komórek, organelli lub tkanek4,5,6,7,8,9,10 , ten protokół jest wyjątkowy, ponieważ opisujemy metody, które można szeroko zastosować do szerokiego zakresu organizmów w celu morfologicznym ocena.
SEM znalazł szerokie zastosowania do badania materiałów nieorganicznych, w tym nanocząstek11,12, polymers13, oraz liczne zastosowania w naukach geologicznych, przemysłowych i materiałoznawczych14,15,16. W biologii SEM od dawna jest stosowany jako metoda badania próbek biologicznych, począwszy od pojedynczych białek, a skończywszy na całych organizmach17,18. SEM ma szczególną wartość, ponieważ morfologiczne szczegóły powierzchni mogą być wykorzystywane do informowania o odkryciach naukowych. Analiza SEM to szybka, niedroga i prosta metoda uzyskiwania szczegółowych informacji o strukturze, rozmiarze i charakterystyce powierzchni szerokiej gamy próbek biologicznych.
Ponieważ SEM zwykle działa w wysokiej próżni (minimum 10-6 Torr), aby utrzymać spójną wiązkę szybkich elektronów, żadne ciecze (woda, oleje, alkohole) nie są dozwolone w komorze próbki, ponieważ ciecze uniemożliwiają tworzenie się próżni. W związku z tym wszystkie próbki badane za pomocą SEM muszą zostać odwodnione, zwykle przy użyciu serii stopniowanych etanoli, a następnie poddawane procesowi suszenia w celu usunięcia etanolu. Istnieje kilka metod suszenia tkanek biologicznych do stosowania w SEM, w tym suszenie powietrzem, liofilizacja, użycie urządzenia do suszenia w punkcie krytycznym (CPD) lub suszenie chemiczne przy użyciu alkoholu t-butylowego (TBA) lub heksametylodylazanu (HMDS)19,20,21,22. Najczęściej wybór metody suszenia ma charakter empiryczny, ponieważ każda próbka biologiczna może inaczej reagować na każdą metodę suszenia. Dla każdej próbki wszystkie te metody mogą być odpowiednie, więc porównanie zalet i wad każdej z nich jest przydatne przy wyborze odpowiedniej metody.
Podczas gdy suszenie próbki na powietrzu w temperaturze pokojowej lub w piecu do suszenia (60 °C) jest najprostszą metodą, większość próbek biologicznych wykazuje uszkodzenia spowodowane suszeniem, takie jak wysychanie i zapadanie się, co skutkuje zniekształceniem próbki. Proces liofilizacji usuwa również wodę (lub lód) z próbki, ale wymaga błyskawicznego zamrożenia próbek i umieszczenia ich w próżni w celu usunięcia lodu w procesie sublimacji, co może spowodować uszkodzenie próbki. Dodatkowo użytkownik musi mieć dostęp do liofilizatora. Najczęściej stosowaną metodą odwadniania próbek do SEM jest suszenie w punkcie krytycznym (CPD). W CPD etanol w próbce jest zastępowany ciekłym dwutlenkiem węgla (CO2 ) i w określonych warunkach temperatury i ciśnienia, znanych jako punkt krytyczny (31,1 °C i 1,073 psi), CO2 odparowuje bez wytwarzania napięcia powierzchniowego, skutecznie zachowując w ten sposób cechy morfologiczne i strukturalne próbki. Chociaż doskonalenie zawodowe jest generalnie standardową metodą, ma kilka wad. Po pierwsze, proces ten wymaga dostępu do suszarki w punkcie krytycznym, co jest nie tylko drogie, ale także wymaga użycia ciekłego dwutlenku węgla. Po drugie, wielkość próbki, którą można wysuszyć, jest ograniczona do wielkości komory suszarki w punkcie krytycznym. Po trzecie, wymiana cieczy podczas CPD może powodować turbulencje, które mogą uszkodzić próbkę.
Suszenie chemiczne oferuje wiele zalet w porównaniu z CPD i służy jako odpowiednia alternatywa, która staje się szeroko stosowana w przygotowywaniu próbek SEM. Zastosowanie chemicznych odwadniaczy, takich jak TBA i HMDS, stanowi szybką, niedrogą i prostą alternatywę dla innych metod, przy jednoczesnym zachowaniu integralności strukturalnej próbki. Niedawno wykazaliśmy, że nie było różnicy w integralności tkanki ani jakości końcowego obrazu wykonanego przy użyciu CPD lub TBA jako metody suszenia w tkance siatkówki dorosłego Drosophila23. W przeciwieństwie do CPD, TBA i HMDS nie wymagają przyrządu do suszenia ani ciekłego CO2 i nie ma ograniczeń co do wielkości suszonej próbki. Oprócz uzyskania chemikaliów, do zakończenia procesu suszenia wymagany jest tylko standardowy wyciąg chemiczny i odpowiednie środki ochrony osobistej (rękawice, fartuch laboratoryjny i okulary ochronne). Chociaż zarówno TBA, jak i HMDS są łatwopalne, TBA jest mniej toksyczny i tańszy (około 1/3 kosztu HMDS) niż HMDS.
W tym artykule opisujemy, jak naprawiać, myć, odwadniać, suszyć, montować, napylać i obrazować trzy typy organizmów: cyjanobakterie (Toxifilum mysidocida, Golenkina sp. i nieznany sp.), dwa euglenoidy z rodzaju Monomorphina (M. aenigmatica i M. pseudopyrum) oraz muszka owocowa (Drosophila melanogaster). Organizmy te reprezentują szeroki zakres wielkości (od 0,5 μm do 4 mm) i różnorodności komórkowej (od jednokomórkowych do wielokomórkowych), ale wszystkie są łatwo podatne na analizę SEM, a do przygotowania próbki potrzebne są tylko niewielkie różnice. Protokół ten opisuje metody stosowania odwadniania chemicznego i analizy SEM do badania szczegółów morfologicznych trzech typów organizmów i miałby szerokie zastosowanie do badania wielu typów organizmów i tkanek.