生物膜与零价铁纳米颗粒相互作用的显微技术解析

一、冷冻电镜与STEM-in-SEM联用技术原理

在环境界面分析领域，冷冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM）与扫描透射电子显微技术（STEM-in-SEM）的联用，为生物膜与零价铁纳米颗粒（nZVI）相互作用研究提供了纳米级解析方案。通过固定化处理、超薄切片及金属标记技术，可实现细胞外基质（EPS）与纳米污染物的精准定位。

二、实验方法与标记技术对比

1.荧光显微技术快速筛查
采用DAPI荧光染料与FITC标记凝集素（PNA/ConA）对絮凝态生物膜进行双标（图1），结果显示：

• nZVI聚集体（0.5-5μm）嵌入生物膜外围结构
• EPS多糖在细胞周边呈阳性标记

图1 有（b，d）或没有（a，c）nZVI接触的生物膜（絮凝物）的荧光显微镜观察。絮凝物用 DAPI（蓝色）和凝集素 [(a),(b) 标记为红色：ConA。 (c)、(d) 粉红色：PNA；图像被重新着色，以便更好地观察/对比同一图像上的两种标记（DAPI 和凝集素）]。絮凝物用 DAPI（蓝色）和凝集素（此处为 ConA）（红色）标记。

2.电子显微技术高精度解析
通过金纳米颗粒标记凝集素结合STEM-in-SEM技术：

• STEM-DF/BF与BSE探测器协同成像（图2）
• EDS元素分析验证钙磷颗粒组分

图2 通过扫描透射电子显微镜 (STEM)-扫描电子显微镜 (Tescan Mira) 观察生物膜（之前附着在聚氯乙烯管上的树脂包埋生物膜的 80 nm 显微切片）。 a：STEM明场； (b) STEM 暗场； (c) 背散射电子探测器； (d) SE 探测器。黄色虚线箭头表示同一区域上的金色标记。

三、技术应用价值与行业突破

1.环境修复领域

证实生物膜作为天然屏障可有效捕获nZVI聚集体，为地下水修复提供新思路。

2.纳米毒理研究

Cryo-SEM技术揭示nZVI与细胞膜无直接接触，修正传统毒性作用模型。

3.分析方法革新

参考文献：[1] Guillaume Wille, Jennifer Hellal, Patrick Ollivier, Annie Richard, Agnes Burel, Louis Jolly, Marc Crampon, Caroline Michel, Cryo-Scanning Electron Microscopy (SEM) and Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM)-in-SEM for Bio- and Organo-Mineral Interface Characterization in the Environment, Microscopy and Microanalysis, Volume 23, Issue 6, 1 December 2017, Pages 1159–1172, https://doi.org/10.1017/S143192761701265X

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