无锡低温冷冻透射电子显微镜技术原理

冷冻电镜技术的原理：冷冻电子显微学解析生物大分子及细胞结构的中心是透射电镜成像，其基本过程包括样品制备、透射电镜成像、图像处理及结构解析等几个基本步骤。在透射电镜成像中，电子枪产生的电子在高压电场中被加速至亚光速并在高真空的显微镜内部运动，根据高速运动的电子在磁场中发生偏转的原理，透射电镜中的一系列电磁透镜对电子进行汇聚，并对穿透样品过程中与样品发生相互作用的电子进行聚焦成像以及放大，Z后在记录介质上形成样品放大几千倍至几十万倍的图像，利用计算机对这些放大的图像进行处理分析即可获得样品的精细结构。冷冻电镜技术的基本原理是将生物大分子溶液置于电镜载网上形成一层非常薄的水膜。无锡低温冷冻透射电子显微镜技术原理

冷冻电镜技术基本原理之三维冷冻电镜技术：样品经过在液氮中的冷冻固定，使得生物大分子中的H2O分子以玻璃态的形式存在，保持低温，将样品放入显微镜，高度相干的电子作为光源从上面照射下来，透过样品和附近的冰层，受到散射，利用探测器和透镜系统把散射的信号成像记录下来，再进行信号处理，较后利用三维重构的技术得到样品的三维结构。冷冻电镜技术的独特优势分辨率高：光学显微镜的分辨率为0.2μm，透射电子显微镜的分辨率为0.2nm，透射电子显微镜在光学显微镜的基础上放大了1000倍。无锡低温冷冻透射电子显微镜技术原理冷冻电子显微镜技术具有研究对象普遍、样品需求量少、更接近生理状态等独特优势。

冷冻电镜技术测定结构的几种方法：X射线晶体学、NMR、和冷冻电镜技术各有优缺点，将这几种方法结合共同研究结构与功能将使结构生物学家对所研究的分子有更为全部的理解，而这些信息是单用任何一个方法所无法获得的。将X射线晶体模型与经电镜获得的密度图重合可以对电镜三维重构的结构作更详尽的解释，例如将牛的水通道（AQP1,与人的有90%同源性）的高分辨率的晶体结构与先前用冷冻电镜技术重构出来的人的中等分辨率水通道的三维结构进行比较，可以进一步确定冷冻电镜获得的中等分辨率的结构，同时也显示出了冷冻电镜技术的优势和局限性。另一方面，较低分辨率的电镜三维重构模型可以用来解释病毒或大分子的晶体结构。而且，将X射线晶体的精细结构与冷冻电镜的重构模型结合构建生物大分子复合物在发挥功生物学功能过程中出现的构像变化模型。这很大程度增加了我们对于复杂分子的活动机制的理解。电子显微技术，成像技术，计算机技术，生物信息技术等不同学科的结合，将为我们提供研究生命现象与本质的强有力的手段。

冷冻电子显微镜技术：目前使用的几种主要的结构解析方法包括:电子晶体学单颗粒重构技术和电子断层扫描重构技术等。电子晶体学：电子晶体学技术利用电子显微镜的成像和电子衍射的功能，从生物大分子的二维晶体获取结构信息，解析其三维结构。生物大分子在空间中有序排列，可以形成三维晶体，也可以形成二维晶体对于二维晶体来说，其只在X-Y平面内具有平移对称性，电子波照射到二维晶体上时能够发生衍射。根据电子显微镜记录的二维图像来确定相位，利用二维晶体的衍射图谱来确定振幅，从而通过反傅里叶变换计算出大分子的密度投影，之后再利用三维重构技术获得大分子的三维结构图，从而解析出生物大分子的三维结构。该方法的特点是解析分辨率较高，可达到近原子分辨率。但获得蛋白的二维晶体来作为样品，仍然是一项非常具有挑战性的工作。冷冻电镜技术中的单颗粒分析法在分析具有同质性结构的样品时表现出更方便、更优异的成像能力。

单颗粒冷冻电镜技术二维图像分析——颗粒图像的匹配与分类：二维颗粒图像的分类是获取三维结构过程的第一步。对二维图像的分析包括两部分：颗粒图像的匹配和颗粒图像的分类。匹配的过程通常会对颗粒图像应用一些变换操作，通过关联函数去判断不同颗粒图像之间的相似程度。图像匹配的算法主要分为两种，即不依赖模型的方法和基于模型的方法，取决于是否存在利用样本先验信息得到的模板。随着图像匹配的完成，颗粒图像需要进行分类。主要利用多元统计分析和主成分分析方法等算法，其他流行的二维颗粒分类技术还有神经网络分类，将图像在二维空间自组织映射(self-organisingmapping，SOM)再进行分类和排序。二维图像分析的目的是，首先通过图像匹配消除旋转和平移的误差，利用类内紧致、类间离散的原则进行图像分类，较终可以对类内颗粒图像进行平均，提高信噪比，从而实现对高分辨率三维结构的构建。冷冻电镜技术的独特优势：更接近天然状态，不需要蛋白质结晶。无锡低温冷冻透射电子显微镜技术原理

冷冻电镜技术中单颗粒分析法优点：样品受总辐射值小；对称颗粒的解析分辨率更高。无锡低温冷冻透射电子显微镜技术原理

冷冻电镜技术未来之路在何方?除了蛋白等生物大分子外，生物样品还有很重要的一面是细胞和组织。即使是目前有很多重要的蛋白结构都得到了埃米级别的解析，但由于它们都是纯化出来的，已经脱离了原来位置，就如同一片树叶脱离了大树，研究的再深刻，目前也只是一叶遮目，不要说推测这片树叶在森林里的位置，即使是在哪颗特定大树上的生长部位和结构都很难说。因此解析细胞或组织这样大尺度的高分辨精细结构具有更普遍的生物学意义。无锡低温冷冻透射电子显微镜技术原理

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