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电子显微
细胞生物学实验指导
编者梁亦龙张继承
生物信息学院
2004年9月
前言
细胞是一切生物(包括人类)最基本的结构和功能单位。
生命科学中的各个学科领域,甚至非生命科学的许多学科领域中的学者们,越来越多地投入到对细胞生命现象的研究。
细胞是生命的载体,不理解细胞就不理解生命。
在现代生命科学教学中,不设置细胞生物学课,所培养出来的学生就称不上是完全的生命科学家。
在细胞生物学放学中,实验课不可或缺。
实验课的基本任务是,让学生学习细胞生物学基本技术,使他们具有一定的实验操作技能,并培养他们树立独立设计实验的思考观念和进行科研的基本素质。
我们借鉴兄弟院校的经验编写了这本《细胞生物学实验指导》,供我院开设的各专业选用。
由于我们主客观条件所限,而且编写时间仓促,肯定会有不少缺点和错误,请提出批评意见,帮助我们不断改进教学。
编者梁亦龙
2004年9月
目录
实验是规则与操作要求····················································1
实验一细胞形态及大小的观测·············································2
实验二相差和暗视野显微镜的原理、使用及标本观察·························5
实验三荧光显微镜原理及应用·············································9
实验四电镜参观························································12
实验五植物细胞骨架的显示及光镜观察····································14
实验六人淋巴细胞染色体标本制作·········································15
实验七人淋巴细胞姐妹染色体区分染色·····································17
实验八碱性磷酸酶的显示················································19
实验九叶绿体的制备及其对染料的还原·····································22
实验十人体细胞核型图的制作·············································24
实验十一线粒体的分离及活性测定·········································27
实验十二联会复合体的染色与观察·········································32
实验十三细胞融合·······················································33
实验十四死、活细胞鉴别················································39
实验十五细胞固定染色法·················································41
实验十六早熟染色体凝集(PCC)·········································43
实验十七细胞同步化·····················································46
实验十八动物染色体分带技术············································48
实验十九线粒体的显示··················································50
实验二十植物愈伤组织培养以及再分化·····································52
实验二十一肿瘤细胞培养实验步骤········································57
实验二十二细胞器的分离················································62
实验二十三石蜡切片的制作···············································66
实验室规则与操作要求
为获得较好的实验结果,避免发生差错与意外事故,特制定以下规则与要求,希望实验者能严格遵守。
(一)显微镜的使用及保护
1显微镜是细胞生物学实验的主要观察工具,使用时必须注意保持外观整洁、防湿、防高温、防药品侵蚀,使用时勿使染液或其它溶液沾污镜头,一旦沾污,及时用擦镜纸蘸上镜头清洗液(无水乙醚:
无水乙醇=7:
3)轻轻擦拭干净。
②带光源的显微镜待电压稳定后,将电源的光亮度调节器调至最小,再打开显微镜的电源,缓慢调节光亮度适当进行量度观察,观察完毕后,则先将光亮度调节器调至最小,然后再关闭显微镜电源开关。
③镜头的清洗:
实验完毕后,镜头的清洗很重要。
用擦镜纸蘸取少量镜头清洗液,先从镜头的中央开始清洗,轻轻旋转擦至镜头的边缘部分,如此重复2-3次。
④载物台必须保持清洁,必要时亦可用擦镜纸蘸少量清洗液擦试载物台。
聚光器上的污物的去除亦可采用类似的方法。
⑤使用完毕后,玻片一律取下,套上布袋.放回原处。
本桌的显微镜一律不准搬离本实验桌。
若需使用者,可到该桌使用,使用后务必保持该显微镜的清洁。
如若发现违章使用情况,必追究使用者责任,本次实验作零分计。
(二)实验时,实验室内,一律不准高声喧哗整洁,保持室内安静,认真操作,仔细做好各项观察与记录。
(三)实验室内的一切仪器、物品必须爱护。
节约材料、药品,取用时不要过量。
公用物品不得独自占用,用后归还原处。
(四)注意安全。
使用有毒物品、强酸、强碱等,应严格按照操作规程。
易燃物品远离火源。
禁止湿手拿取电源开关或接触电源。
如发生触电等事故,及时报告。
(五)取用各种试剂,要用及时盖上瓶盖。
按献宝取出所需之药品或溶液后,不得将原液倒回瓶内。
滴管、玻棒、吸管不可混用。
(六)实验中如有丢失、损坏仪器设备及用具,及时登记并报告,凡违反操作规程造成不应有的损失者,视其情节轻重,态度好坏,按有关规定处理。
(七)本实验室欢迎各位实验者对每一实验本身提出新的看法与做法,至于能否采用,视具体情况而定。
任何人未经老师许可,不得自作主张,改动任何实验步骤与操作方法。
(八)实验完毕后,须摆齐药品,洗净器皿,做好本桌清洁。
整个实验室清洁由本班班长安排。
离开前要关好门、窗、水、电。
实验一、细胞形态及大小的观测
一、目的:
1.观测细胞形态及大小,了解细胞的分类
2.学习显微测量的方法
3.学习使用油镜
二、测微技术的原理:
显微侧微尺分为物镜测微尺(简称物微尺或台微尺)和目镜测微尺(简称目微尺)。
目镜测微尺是一个可以放入目镜内的特制园玻片,玻片中央刻的刻度长5或10mm,将其分成50或100格(也有刻成十字形的)如下图。
物微尺为一载片上贴着一圆形玻片中央带有刻度、长度为1mm,等分为100格,每一格长0.01mm(图一)。
当测量细胞的大小时,不能用物微尺直接测量细胞,而只能使用目微尺。
因目微尺测量的是细胞经物镜放大后的像,因而它每格所代表的实际长度随物镜的放大率而变,在测量时需先用物微尺标定,求出某一放大率时目微尺每格所代表的实际长度,然后再用以测量细胞大小。
三、油镜的原理:
油侵系物镜(简称油镜),与干燥系物镜不同,载波片和物镜之间的介质不是空气,而是一层香柏油,其折射率为1.515左右。
和玻片折射率相近。
光线通过载片后,可直接透过香柏油而进入物镜,折射程度轻,这样物镜的镜口率增大,从而提高物镜的分辨率。
显微镜的分辨力与物镜的镜口率成反比,与光线的波长成正比;即:
R=0.61λ/2NA=0.61λ/2n.sinα/2
从上式可知提高介质的折射率可以提高显微镜的分辨能力,如果我们用NA为1.30的物镜,可见光平均波长为550nm即黄绿光,则分辨力为0.2μ。
在油镜镜头上一般标有“0i1”,或有一黑色环等做为标志,油镜的放大倍数为90或100倍。
四、实验用品:
显微镜、测微尺、动物及植物的组织切片、香柏油、檫镜纸、二甲苯。
五、实验操作
1、目微尺的标定
(1)卸下目镜的上透镜(如为Olympus显微镜,则卸下目镜下方的金属环),将目微尺刻度向下装在目镜的焦平面上,再旋上上透镜(金属环)。
将目镜插入镜筒。
(2)将物微尺刻度向上放在镜台上夹好,以低倍镜调焦能看到物微尺的刻度,换上你用来测量细胞的物镜(本实验用油镜)。
调焦至看清刻度,这时镜中同时看清两尺。
小心移动物微尺和转动目镜,使两尺平行,起点线重合,如下图:
然后找出另一处两尺刻度重合处,记录起点线到重合线之间各尺的刻度数(格数),按下式计算。
在该放大系统下目微尺每格所代表的实际长度:
目微尺每格所代表的实际长度(μ)=台微尺格数/目微尺格数*10(μ)
(3)换上待测标本,既可进行测量。
2、油镜的使用:
(1)用低倍物镜,调焦观察,将待观察的部分移到视野中央。
(2)旋开低倍镜,在玻片上的观察部位滴一滴镜油,将油镜旋入光路,这时油镜透镜应全部被油侵没。
(3)调节细调螺旋,使视野清楚,即可观察
(4)油镜的擦拭:
在油镜使用结束后,用镜纸轻轻擦去镜头上的油,再用干净擦镜纸蘸上少许乙醚:
无水乙醇(7:
3)混合液擦去镜上残余的镜油,最后用干擦镜纸擦干,擦永久玻片或物微尺,方法类似。
3、观察及测量
(1)多角形细胞:
观察小白鼠肝细胞,细胞呈多角形,分界不太明显,以苏木精-伊红染色,细胞质染成红色,细胞核染成兰色,测量其细胞及细胞核的长短径。
(2)柱状细胞:
观察河蚌外套膜两侧表皮细胞,细胞是高柱状或低柱状,一苏木精-伊红染色,测量细胞及细胞核的长短径。
(3)梭形细胞:
河蚌外套膜表皮以内,为结缔组织,其中有横肌和纵肌切面,细胞呈梭形,染色方法同上。
(4)树枝状细胞:
观察兔脊髓运动神经元,分布在脊髓灰质中,细胞突起呈树枝状。
(5)卵园形细胞:
观察人血细胞涂片中的红细胞、白细胞。
4、洋葱根尖细胞大小测定及有丝分裂各时期的观察。
(1)测量洋葱根尖分生区细胞和细胞核的长短径。
(2)有丝分裂各时期的观察:
1)前期:
(Prophase)主要是染色质转变为染色体的过程,核仁核膜消失。
2)中期:
(Metephase),染色体分布在赤道面上。
3)后期:
(Anaphase),含姐妹染色单体的染色体的着丝点分离形成两条染色体,分别向两极移动。
4)末期(Telophase),染色体到达两极后,染色体解螺旋化成染色质,形成两个子核,核仁再次出现,一个细胞分裂成两个细胞。
5、细胞器的观察
⑴高尔基体
a,观察脊神经节细胞;高尔基体银染成棕色,形状为网状或块状,分布在核周围的胞质中。
b,观察河蚌外套膜表皮细胞;高尔基体染成棕色,呈网状,分布在柱状上皮的远心端(有极性分布)。
⑵线粒体
a,观察兔肝细胞:
线粒体呈兰色线、粒状,均匀地分布细胞质中。
b,观察兔小肠上皮细胞:
线粒体呈兰色线、粒状。
分布在柱状上皮细胞的细胞质中,分布呈两极状。
即主要分布在细胞的顶部和基部。
六、测量结果计算:
1、公式为:
椭球为:
V=4πab2(a为长半径,b为短半径)
球:
V=4/3πR3(R为半径)
2、根据观察与计算结果,填入下表:
细胞名称
形态特征
细胞体积
核体积
核质比例
小鼠肝细胞
河蚌外套膜表皮细胞
河蚌横肌细胞
人血球细胞
兔脊髓运动神经原细胞
洋葱根尖细胞
3、绘制高尔基体在兔脊神经节细胞,河蚌外套膜表皮细胞中的分布,以及线粒体在兔肝细胞,小肠上皮细胞中才分布草图。
实验二相差和暗视野显微镜的原理、使用及标本观察
一、相差显微镜:
人眼仅能观察到波长(颜色)及振幅(亮度)的差别。
活细胞往往是无色透明的,通过活细胞的光线波长及振幅都无明显的改变,因此,在普通显微镜下我们难以观察到活细胞及结构。
在实际工作中,许多的工作要求我们观察活细胞,人们设计了适合上述目的的观察工具,相差显微镜就是其中一种。
(一)相差显微镜的原理:
当照明光线通过活细胞时,虽然波长及振幅没有明显的变化,但由于细胞的各部分及细胞与周围介质之间折射率有所差别,光线通过各种界面时,一部分直接通过细胞称为直射光。
另一部分变为衍射光,衍射光与直射光的波长一致,但衍射光的相位比直射光大约推迟约1/4个波长,从标本某一点发出的直射光和衍射光经物镜会聚以后,在物镜的像场交于一点,衍射光与直射光就会发生干涉,而形成合成光波。
合成光的波长仍和原来相同,但振幅为两束光的几何叠加。
在普通显微镜下,叠加结果没有明显变化,故我们观察不到标本及其细微结构(图1a)。
在相差显微镜中通过改变衍射光或直射光的相位,将直射光和衍射光的相位差变成振幅差。
于是就可以在相位显微镜中观察到标本各部分的差别了。
改变相位有相板来完成。
如果推迟直射光的相位1/4λ,则直射光和衍射光的相位相同,发生相长干涉,合成干涉比直射光明亮,称负反差(如图1b)。
如果推迟衍射光的相位1/4λ,则直射光比衍射光超前1/2λ,这时发生相消干涉,合成光比直射光暗,称正反差。
(如图1c)。
(二)相差显微镜的装置
相差显微镜的主要装置有两个:
环状光阑和相板。
环状光阑是装在聚光镜中的环状通光孔(图2a),随着物镜倍数的改变,要改变其大小。
通常将10×、20×、40×、100×(或90×)四种配合物镜的环状光阑安装在一个软盘内,与聚光器一起组成转盘聚光器。
在转盘前还有一个标示孔,转动转盘时,,0、10、20、40、100(或90)依次进入标示孔,这表示与赶倍物镜相配合的环状光阑置入光路,“0”表示明视野,这时与普通显微镜是一样的,转盘上有供合轴调整用的调节钮,有的是固定在其上的,有的是分开的。
相板(图2b)是安装在物镜后焦面上的,带相板的物镜称相差物镜,以ph标记,相板可以氛围两个部分:
一为共轭面,为环状,通过环状光阑的直射光经物镜会聚后,正好落在共轭面上;另外一部分为补偿面,大量衍射光透过这一区域,相板上镶有相位膜,通常为金属电解质MgO,它能推迟光线的相位(常为1/4λ),如涂在共轭面上,则推迟直射光的相位,形成明反差。
如涂在补偿面,则推迟衍射相位,形成暗反差(正反差),即标本比周围介质暗,在相板上还覆盖有吸收膜,吸收掉一部分的光线,多数是镶在共轭面上,以吸收一部分直射光使其振幅与衍射光相近,这样合成光与直射光反差才明显。
镜检时,为使效果达到最佳,要求环状光阑的像正落在共轭面上,两者大小也正好相符,这样才能使应被吸收的光被吸收。
为了检查是否达到上述要求,拨出物镜就可以看到环状光阑像和相板相反,但因其太小,需用合轴调整望远镜加以放大,有的相差显微镜不是使用合轴望远镜,而用补偿透镜加在目镜中。
为了使光线的相干性好,最好使用单色光照明,常用绿色滤色镜。
获得绿光,还兼有吸热作用,由于相差显微镜的环状光阑通光孔较小,故需较强的照明光源,一般均用人工光源。
下面以Olympus显微镜为例,讲述相差显微镜的使用。
(三)调节及操作过程:
1.光路调中:
光路中心和照明光束的中心无比合一,聚光器调中的步骤为:
[1].把聚光器调到最高位置。
[2].开启光源。
[3].转动转盘,使“0”进入标示孔。
[4].将被检样品放在载物台上,用低倍镜聚焦。
[5].缩小视野光阑,在显微镜的视野再可见视场光阑的模糊图象。
[6].微降聚光器使视场光阑的像清晰。
[7].双手调节聚光器的两个调中螺杆,使视场中心移至视野中央。
[8].开放视场光阑,使其周边与视野周边相接,形成视野的内接多边形,如不能内接,则重复7、8的操作。
[9].使聚光器升至顶点,光路调中即告完成。
2.合轴调整:
在设计上,相差显微镜的共轭面的直径和宽度与环状光阑与相板共轭面的透光环一致,使用时,每一相差物镜必与环状光阑相匹配,还要调节两环,使其合轴。
调节方法如下:
[1].从目镜筒中拔出目镜。
[2].插入合轴调整望远镜,转动望远镜上面的螺旋,使其升降(不要从目镜筒中拔出望远镜),至两环清晰为止。
[3].双手轻按环状光阑调中螺杆(有的是临时时插入),并转动,使环状光阑移到环状光阑与相板共轭面完全重合为止,对于Olympus,调节好一种物镜,其余则全业合轴。
[4].如果环状光阑的大小与相板的大小不全一致,升降聚光器,使之一致。
[5].拔出望远镜,换入目镜即可开始做镜检观察,环状光阑也应做相应转换。
(四)器材:
试剂和材料
显微镜、镊子、载片、盖片、擦镜纸、二甲苯、紫鸭草花。
(五)利用相差显微镜观察标本:
[1].紫鸭草花丝绒毛细胞的原生质环流
用镊子小心从基部摘取一先活紫鸭草花丝,置于载片上,滴一滴生理盐水,加盖玻片,相差显微镜下观察。
花丝绒毛为发、多个细胞组成的念珠状结构,每个为细胞椭圆形,可见细胞中有管网状结构,管网中有许多颗粒在不听的运动,管网本身也有不断变化。
[2].观察未染色的染色体制片标本
染色体标本是利用哺乳动物的外周血培养,空气干燥法制片获得,观察中染色体和淋巴母细胞核。
二、暗视野显微镜
暗视野显微镜,由于能观察到普通光镜下观察不到的微粒,所以又称超显微镜,暗视野显微镜还可以用来观察活细胞线粒体的运动,也可以观察介质中的微生物等。
(一)原理及结构特点:
暗视野显微镜的设计原理是以Tyndal效应为基础的,光线通过胶体介质时,介质会对光发生强烈的散射,如房间中的细小尘埃本不能被看见,但当一束强光照进房间时,我们从照明光束的侧面观察时,就可以看见尘埃。
暗视野显微镜应用了特殊的聚光器,不让照明灯光直接进入物镜造成视野。
而是让照明灯光倾斜的照在标本上。
标本对光线发生反射或散射,反射光和散射光进入物镜,而观察到标本的状况。
暗视野显微镜和普通光学显微镜相比,在于它所使用的聚光器是暗视野聚光器,聚光器的中央照明光束完全被挡住,形成暗视野,如图:
由于暗视野显微镜的照明方法主要是利用被物体表面散射光来观察物体,所以能看见物体的存在和运动,不能辨清物体的内部结构。
如果被检测物质为透明的非均质,并且直径大于1/2λ时,各级衍射光进入物镜,就可以观察到物体的结构。
普通显微镜在明视野照明观察物体时,分辨力只有0.2μm,但是在暗视野照明条件下,可以分辨0.004μm的粒子。
就是说暗视野显微镜可以观察到在普通光学显微镜下观察不到的0.2-0.004μm的粒子。
(二)、操作:
简易暗视野聚光器的安装:
1、取下聚光器,并将聚光器的上、下透镜旋开。
2、按聚光器下透镜的上表面直径ф剪下一黑纸,并一将边缘1/5剪去,剪成如图所示的形状。
3、将剪好的黑纸置于聚光器下透镜的上表面,将两透镜重新旋好,装上显微镜,简易暗视野显微镜就做好了。
(三)、材料观察:
1、用吸管吸一滴糖水滴于载玻片上,加盖盖玻片,如水太多,用滤纸吸干。
2、将聚光器上滴加镜油,然后降下聚光器,将玻片标本置于载物台上,把聚光器升起,让聚光器和载片之间浸满镜油。
3、仔细调焦,观察原生动物如草履虫、棘尾虫等的形态特征。
(四)、注意事项:
1、聚光器透镜和载玻片之间必须浸油,否则,照明光线;在聚光器上表面发生全反射,不能得到照明,而看不清物体。
2、照明光线要强,因此应用显微镜灯而不用自然光。
3、为防止照明进入物镜,可适当调节聚光器上下的位置。
4、暗视野照明时,注意物镜一定不能高于0.85,否则会应因镜口率太大而达不到暗视野照明效果。
5、载玻片不能太厚,以0.1mm左右为益,且无裂痕而清洁。
6、虹彩光阑必须开到最大。
三、实验报告的主要要求:
1、简述相差显微镜的主要用途。
2、在使用暗视野显微镜时,反复调焦都不能看见被检物,有什么可能的原因。
3、绘制紫鸭草花丝绒毛细胞原生质环流草图。
4、绘制暗视野显微镜下的原生动物图。
(两中以上)
实验三荧光显微镜原理及应用
一、实验原理:
1852年Stokens发现当以短波光照射某些物质时,这些物质就会发出较长的光波,称之为荧光。
当某一物质的外层电子接收到能量相当时的光量子后,这个电子就会从能级较低的电子层跃迁到能级较高的电子层(激发态),但激发态是不稳定的,大约经过10ˉ8秒,电子就会以辐射光量子的形式释放能量而回到原来的稳定状态,辐射的光量子就是光(如图),因为能量还有一部分是以热能的形式散发的,所以荧光光波比激发的光波长。
动物细胞内的大部分成分经激发光波激发后,可以发出淡蓝色的荧光,植物叶绿素等经激发光照射后发出血红色荧光。
这种现象称为自发式荧光,或直接荧光。
有些细胞成分与发荧光的有机物——荧光染料结合后,而具有发荧光发能力,这种荧光成为间接荧光或次生荧光。
除少数物质具有较强的自发荧光外,大多数细胞的自发荧光否很弱,不能满足实际工作的要求,现在比较广泛利用的是间接荧光,获得间接荧光的方法有两种:
[1].荧光染色法:
利用荧光染料使细胞或组织着色,它和细胞内不同成分结合后可发出一定波长的荧光。
对于不同的组织或细胞组分,目前已成立了一些有效的荧光染色方法,如显示粘蛋白成分的荧光RAS反应显示类脂质磷化氢3R荧光染色法,显示染色体分带的Q带技术等,可选用不同的方法研究不同的细胞成分。
[2].免疫荧光技术:
又叫荧光抗体方法,它是利用抗体的特异结合现象。
将抗体标记上荧光色素成为荧光抗体。
以确定细胞或组织内的相应抗原或抗体的存在及分布上,由于该法是免疫学技术和荧光染色技术结合起来的一种方法,它具有免疫学的特异性和荧光方法的敏感性,作为一种研究方法或实验手段,已经得到了广泛的应用,列如显示膜的流动性的方法,显示细胞骨架的方法等。
二、荧光显微镜:
荧光显微镜,根据其光路不同,可以分为两种类型:
透射式荧光显微镜和落射式荧光显微镜。
透射式荧光显微镜是比较旧式的显微镜。
它是由激发光穿过聚光透镜和标本来激发荧光,优点是低倍荧光强,价格低廉,使用方便,对大材料较好,缺点是放大倍数增大时荧光减弱。
落射式荧光显微镜让激发光照射在待测材料上,也叫表面荧光显微镜,是近年来研究发展起来的一种新式显微镜,优点是放大倍数越大荧光越强,益于高倍研究。
常用的有日本的Olympus、Nikon以及西德的Opton及Leitz等荧光显微镜。
荧光显微镜的光源一般为超高压汞灯,少数用疝灯或高色温溴、钨灯,前两者可获得叫强的紫外线,后者产生紫蓝光。
但真正有用的激发光主要经过滤片滤过获得。
这些激发滤片有各种型号,每种型号允许一定波长的光通过。
本实验中采用的是QB24,其透过波长为3500-4800A,高峰为4200A左右。
荧光显微镜中还安有吸收滤片,以获得清楚的荧光映象及保护观察者的眼睛。
阻断滤片要选择与激发滤片乡匹配的,如本实验就使用CB3。
三、荧光色素:
荧光色素可用做染料,当它与动物或植物细胞内某些成分结合后,发生一定波长的荧光。
荧光对光的吸收有高度的选择性,其荧光发散也有一定的范围,如吖啶橙的吸收峰在405nm,发散
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