2025年大學《化學測量學與技術》專業(yè)題庫——化學顯微成像技術在生物醫(yī)藥中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______考生注意：請將所有答案寫在答題紙上，寫在試卷上無效。答題過程中不得使用計算器。1.簡述透射電子顯微鏡（TEM）的基本工作原理及其在觀察生物樣品時面臨的主要挑戰(zhàn)。2.闡述掃描電子顯微鏡（SEM）的成像機制，并說明其在生物醫(yī)藥領域觀察細胞表面結構和組織形態(tài)方面的優(yōu)勢。3.原子力顯微鏡（AFM）和掃描探針顯微鏡（SPM）在探測樣品表面方面有何不同？請說明AFM在獲取生物樣品（如DNA、蛋白質、細胞膜）物理力學性質方面的應用潛力。4.共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）如何實現(xiàn)細胞內部結構的熒光成像？其常用的熒光標記技術有哪些？并簡述其克服傳統(tǒng)光學顯微鏡“光暈”效應的原理。5.超分辨率顯微鏡技術（如STED、PALM、STORM）是如何突破傳統(tǒng)光學顯微鏡分辨率極限的？請選擇其中一種技術，簡述其基本原理及其在生物醫(yī)藥研究中解決“分辨率瓶頸”的具體應用。6.在生物醫(yī)藥研究中，選擇合適的化學顯微成像技術時需要考慮哪些關鍵因素？請結合具體實例說明如何根據(jù)研究目標選擇最適宜的成像方法。7.圖像分割是顯微圖像分析的重要步驟。請簡述圖像分割在生物醫(yī)藥圖像定量分析中的意義，并列舉至少兩種常用的圖像分割方法及其基本原理。8.試述化學顯微成像技術在藥物研發(fā)與評價中的具體應用，例如藥物遞送系統(tǒng)表征、藥物作用位點和機制研究等，并說明這些應用如何助力新藥開發(fā)。9.多模態(tài)成像技術結合了不同顯微成像手段的優(yōu)勢，以獲取更全面的生物信息。請簡述多模態(tài)成像技術在整合形態(tài)學、分子生物學和功能學信息方面的優(yōu)勢，并舉例說明其在復雜疾病研究中的應用。10.鑒于生物樣品（如活細胞、組織）的特殊性，在化學顯微成像實驗前通常需要進行樣品制備。請列舉幾種常見的生物樣品制備方法（如冷凍切片、固定包埋、免疫熒光標記），并簡述每種方法的基本目的及其對成像結果可能產生的影響。試卷答案1.答案：透射電子顯微鏡（TEM）利用電子束作為光源，電子穿過薄樣品時發(fā)生散射，根據(jù)散射情況差異在熒光屏或感光膠片上形成圖像。其原理基于電子的波長短（德布羅意波長極?。?，可實現(xiàn)高分辨率成像。主要挑戰(zhàn)包括：生物樣品對電子束極易損傷且易失水，需要制備極薄的樣品（通常幾納米厚），這對樣品制備技術要求極高，且觀察過程通常在真空下進行，不適用于觀察活細胞。解析思路：首先要回答TEM的基本光源（電子束）及其成像原理（電子穿透樣品發(fā)生散射成像）。然后說明其高分辨率來源（電子波長短）。最后重點闡述生物樣品應用面臨的兩大難題：電子束損傷和樣品制備困難（薄切片和真空要求）。2.答案：掃描電子顯微鏡（SEM）利用聚焦的電子束在樣品表面掃描，通過檢測二次電子、背散射電子等信號來成像。其成像機制基于電子與樣品表面原子相互作用產生的信號差異。SEM的優(yōu)勢在于：具有極高的表面分辨率，能清晰顯示細胞表面的精細結構；景深大，圖像立體感強，適合觀察不規(guī)則、三維的樣品表面形貌，如細胞形狀、表面紋理、組織切片結構等。解析思路：首先說明SEM的基本工作方式（電子束掃描表面并檢測信號）。然后解釋成像信號類型（二次電子、背散射電子等）。接著重點突出其在生物醫(yī)藥領域觀察表面結構和組織形態(tài)方面的兩大優(yōu)勢：高表面分辨率和大的景深。3.答案：AFM和SPM的主要不同在于探測模式：AFM通過檢測探針針尖與樣品表面之間由范德華力或靜電力引起的微小相互作用力或機械形變來成像，提供樣品表面拓撲形貌和物理力學信息；而SPM是一個更寬泛的概念，除了AFM的接觸模式、tapping模式，還包括其他探測表面性質（如電荷、磁場）的探針顯微鏡。AFM在生物醫(yī)藥領域的應用潛力巨大，可用于：測量DNA、RNA、蛋白質等生物大分子的尺寸、柔性和相互作用力；探測細胞膜的機械強度和彈性；研究細胞粘附、遷移過程中的力學變化等。解析思路：先明確區(qū)分AFM和SPM的核心區(qū)別（探測原理和范圍）。然后詳細說明AFM的原理（檢測力或形變）。最后列舉AFM在生物樣品（DNA、蛋白、細胞膜）物理力學性質研究方面的具體應用實例。4.答案：共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）通過使用激光作為點光源掃描樣品，同時利用共聚焦針孔選擇焦點處的光信號，排除非焦點平面的雜散光，從而實現(xiàn)高分辨率的光學切片成像。其常用的熒光標記技術包括：熒光染料標記（如FITC,TRITC標記抗體或細胞結構）、綠色熒光蛋白（GFP）等自發(fā)熒光蛋白的表達、第二信使熒光探針等。CLSM克服傳統(tǒng)光學顯微鏡“光暈”效應（即焦點外光線散射導致圖像模糊）的原理在于其共聚焦針孔的選擇性收集系統(tǒng)，只記錄焦點處的信號，有效排除了焦點外散射光的干擾，提高了圖像的對比度和分辨率。解析思路：先解釋CLSM的基本原理（激光點光源掃描+共聚焦針孔選點成像）。然后列舉常見的熒光標記方法。最后重點說明共聚焦技術克服“光暈”效應的機制（針孔選擇性收集焦點信號，排除散光）。5.答案：超分辨率顯微鏡技術通過克服衍射極限（約200-250納米）來獲得遠高于傳統(tǒng)光學顯微鏡分辨率的圖像。以STED（受激發(fā)射depletion）技術為例，其基本原理是：使用兩個特定波長的激光，一個激發(fā)熒光分子發(fā)光，另一個“消融”掉焦點外熒光分子的受激發(fā)射，使得只有焦點極小區(qū)域（亞衍射極限尺寸）的熒光分子被激發(fā)并發(fā)射光，從而實現(xiàn)超分辨率成像。STED在生物醫(yī)藥研究中可用于：精確定位單個熒光分子，研究蛋白質分子在細胞內的動態(tài)運動和相互作用；解析密集的細胞器或標記分子的超精細結構；觀察活細胞內復雜的分子機器組裝過程等，解決了傳統(tǒng)光學顯微鏡在觀察亞細胞結構細節(jié)方面的分辨率瓶頸。解析思路：先點明超分辨率技術的核心目標（突破衍射極限）。然后選擇STED技術，詳細解釋其工作原理（利用受激發(fā)射損耗實現(xiàn)點狀激發(fā)）。最后列舉其在生物醫(yī)藥研究中的具體應用，說明其解決分辨率瓶頸的作用。6.答案：選擇合適的化學顯微成像技術時需考慮的關鍵因素包括：研究目標（需要觀察的樣品結構類型、大小、位置、動態(tài)過程等）；所需的分辨率和景深；樣品是否需要活體觀察或是否對樣品有損傷；樣品的透明度或反射特性；實驗成本和操作復雜度；以及是否有現(xiàn)成的標記技術和兼容的成像方法等。例如，若需觀察活細胞內動態(tài)的熒光分子運動，應選擇CLSM或相關的活細胞成像技術；若需觀察細胞外基質的三維結構，SEM或基于光聲成像的顯微鏡可能是更合適的選擇；若需精確測量單個蛋白質分子的定位，超分辨率顯微鏡（如STED）將是首選。解析思路：列出選擇成像技術的核心考量維度（研究目標、分辨率景深、樣品狀態(tài)、樣品特性、成本操作等）。然后用一個具體的實例說明，如何根據(jù)不同的研究需求來匹配最合適的成像技術。7.答案：圖像分割是將顯微圖像中的目標區(qū)域（如細胞、細胞器、熒光信號）與背景或其他區(qū)域分離的過程，是進行定量圖像分析的基礎步驟。其意義在于：能夠精確界定感興趣區(qū)域，為后續(xù)的形態(tài)學測量（如面積、周長、體積）、強度分析、密度計算等提供依據(jù)，從而將定性的圖像觀察轉化為定量的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對生物樣品數(shù)量化和比較研究。常用的圖像分割方法包括：基于閾值的分割（如全局閾值、局部閾值、自適應閾值），該方法根據(jù)像素強度值范圍將圖像分為不同類別；基于邊緣的分割，該方法檢測圖像中物體的輪廓邊緣作為分割依據(jù)；基于區(qū)域的分割（如區(qū)域生長法、分水嶺變換），該方法根據(jù)像素間的相似性（灰度、顏色等）將圖像劃分為不同區(qū)域。解析思路：首先解釋圖像分割的定義和作用（從定性到定量的基礎，為定量分析提供區(qū)域依據(jù)）。然后強調其重要意義（實現(xiàn)量化、比較研究）。最后列舉并簡要說明至少兩種常用的分割方法（閾值分割、邊緣分割、區(qū)域分割）及其基本原理。8.答案：化學顯微成像技術在藥物研發(fā)與評價中有多方面應用。例如：在藥物遞送系統(tǒng)表征中，利用SEM、CLSM等技術可以觀察納米載體（如脂質體、聚合物膠束）的形貌、大小、表面特征和內部結構，并追蹤其在生物介質中的聚集行為和解體過程。在藥物作用位點確認研究中，通過免疫熒光標記結合CLSM或共聚焦顯微鏡，可以可視化藥物靶點（如特定受體、離子通道）在細胞或組織內的定位，并觀察藥物處理后靶點表達或分布的變化。在藥物代謝研究中，利用熒光標記或重金屬標記，結合顯微成像技術可以追蹤藥物分子或其代謝產物在細胞或組織內的分布和轉運路徑。這些應用有助于理解藥物作用機制，優(yōu)化藥物配方，評估藥物安全性，加速新藥研發(fā)進程。解析思路：列舉具體的應用方向（藥物遞送表征、作用位點確認、藥物代謝追蹤）。針對每個方向，說明使用了哪些成像技術（結合實例），觀察了什么內容，以及這些觀察如何服務于藥物研發(fā)的目標（理解機制、優(yōu)化配方、評估安全等）。9.答案：多模態(tài)成像技術結合了不同顯微成像手段（如光學顯微鏡、電子顯微鏡、掃描探針顯微鏡等）或不同成像參數(shù)（如結構成像、功能成像、代謝成像）的優(yōu)勢，以獲取更全面、更立體的生物信息。其優(yōu)勢在于：能夠從不同維度（如形態(tài)、結構、功能、分子）獲取互補信息，提供對生物樣品更深入、更全面的理解；克服單一成像模式的局限性，提高診斷準確性和研究效率。例如，在腫瘤研究中，可以結合CLSM進行細胞和亞細胞結構觀察及熒光標記分子定位，同時利用MRI或PET進行宏觀組織和器官層面的功能與代謝信息成像，再輔以免疫組化確定病理特征，從而實現(xiàn)對腫瘤從微觀到宏觀、從形態(tài)到功能的綜合評估。解析思路：首先解釋多模態(tài)成像的概念（結合不同手段或參數(shù)）。然后闡述其核心優(yōu)勢（信息互補、維度多樣、克服局限、更全面理解）。最后用一個具體的例子（如腫瘤研究）說明如何通過整合不同模態(tài)信息來獲得更全面的生物學認識。10.答案：常見的生物樣品制備方法及其目的和影響包括：冷凍切片：目的是在接近生理狀態(tài)下快速冷凍樣品，然后進行冰凍切片，適用于觀察細胞超微結構、組織病理學特征，但可能導致冰晶損傷和冰凍收縮變形。固定包埋：目的是使用化學固定劑（如甲醛）使生物組織細胞結構固定，然后將其包埋在硬質介質（如石蠟、樹脂）中，便于后續(xù)切片和染色，但固定劑可