武汉低温电子显微镜技术应用

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。冷冻电镜技术用于生物样品三维结构解析，包含单颗粒分析、微晶电子衍射和冷冻电子断层扫描3种技术。武汉低温电子显微镜技术应用

冷冻电子显微技术主要包括单颗粒冷冻电镜技术和冷冻电子断层扫描技术。单颗粒冷冻电镜技术首先捕获大量随机分布的同一种生物样品的二维图像，然后通过图像处理算法解析其三维结构。近年来，随着冷冻电镜设备和计算机软硬件的快速发展，特别是随着直接电子探测器在冷冻电镜中的应用，单颗粒冷冻电镜技术迈进了原子分辨率水平，在生物学、医学和新药研发等领域发挥着越来越重要的作用。冷冻电镜通过记录单个生物样品在倾斜旋转过程中投影的一系列二维图像，采用特殊的算法计算，将二维图像重构为三维断层图像。冷冻电镜主要研究组织、细胞和微生物中的超微结构，它能够提供生理环境下大分子复合物纳米、亚纳米甚至近原子尺度的原位结构信息以及其与其它大分子的相互作用信息。武汉低温电子显微镜技术应用冷冻电镜技术中单颗粒分析法优点：解析生物大分子的理论分辨率可达原子级。

冷冻电镜技术之冷冻扫描电镜：扫描电镜工作者都面临着一个不能回避的事实，就是所有生命科学以及许多材料科学的样品都含有液体成分。很多动植物组织的含水量达到98%，这是扫描电镜工作者比较难对付的样品问题。冷冻扫描电镜(Cryo-SEM)技术是克服样品含水问题的一个快速、可靠和有效的方法。这种技术还被普遍地用于观察一些“困难”样品，如那些对电子束敏感的具有不稳定性的样品。各种高压模式如VP、LVESEM的出现，已允许扫描电镜观察未经冷冻和干燥的样品。但是，冷冻扫描电镜仍然是防止样品丢失水分的Z有效方法，它能应用于任何真空状态，包括装于扫描电镜的Peltier台以及向样品室内冲以水汽的装置。冷冻扫描电镜还有一些其他优点，如具有冷冻断裂的能力以及可以通过控制样品升华刻蚀来选择性地去除表面水分(冰)等。

冷冻电镜技术具有分辨率高、更接近天然状态、适用研究对象普遍等特点，越来越多的科学家开始把冷冻电镜技术作为研究的一个新方向。冷冻电镜技术与X射线技术和核磁共振技术互相补充，让绝大多数的蛋白质的结构都可以被解析。众多领域的研究者们将在未来冷冻电镜新的技术方法的开发中发挥重要的作用，成为该技术的进一步完善与成熟的重要力量。冷冻电镜领域研究者们则需要以主动开放的态度吸引其他领域研究者的合作，并积极迎接来自更多领域研究者的挑战，保持并发展自己的技术特长，站在技术发展的制高点上选准研究方向，始终在冷冻电镜的技术前沿上开疆拓土。冷冻电镜技术就是在传统透射电子显微镜之上，加上了低温传输系统和冷冻防污染系统。

冷冻电镜技术基本原理之电镜三维重构理论：D.DeRosier和A.Klug提出三维重构理论是借助一系列沿不同方向投影的电子显微像来重构被测物体的立体构型，利用计算机数字图像处理技术进行电子显微像三维重构测定生物大分子结构的概念和方法。透射电子显微镜成像过程中，电子束穿透样品，将样品的三维电势密度分布函数沿着电子束的传播方向投影至与传播方向垂直的二维平面上。运用中心截面定理，从而可以通过三维物体不同角度的二维投影在计算机内进行三维重构来解析获得物体的三维结构。冷冻电镜技术中的单颗粒分析法：是针对单个粒子进行重构的技术。武汉低温电子显微镜技术应用

冷冻电镜技术之冷冻扫描电镜是防止样品丢失水分的特别有效方法，它能应用于任何真空状态。武汉低温电子显微镜技术应用

冷冻电镜技术解析结构的一般流程是怎样的？对样品的要求是什么？冷冻电镜解析蛋白结构一般流程为：蛋白表达纯化；负染样品准备：约2小时完成；负染样品的数据收集：约8小时完成；冷冻样品的准备：约4小时完成；冷冻样品的数据收集：48-120小时完成。三维结构重建。冷冻电镜解析蛋白结构对蛋白质的要求：分子量：一般需要样品的分子量在200kD以上。缓冲液：缓冲液中不能含有多糖，DMSO，甘油等有机物质，这些会降低样品的衬度，难以获得高分辨的三维结构。一般而言，缓冲液为20mMHepes，150mMNaCl。浓度：一般而言，可溶性蛋白浓度应在1mg/ml左右，膜蛋白应保证浓度在5mg/ml左右。体积：20ul足够（前提是需要蛋白浓度达标，做一个样品3ul左右）。均一性：分子筛行为表现为单一的峰，均一性大于90%。武汉低温电子显微镜技术应用

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