东莞透射电镜技术服务中心

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。冷冻电镜技术能够揭示生物分子细节。东莞透射电镜技术服务中心

冷冻电子显微技术学解析生物大分子及细胞结构的中心是透射电子显微镜成像,包括样品制备、图像采集、图像处理及三维重构等几个基本步骤。三维重构：数据处理的较终目的是为了获得生物样品的三维质量密度图，由二维图像推知三维结构的方法即三维重构。其理论原理是在1968年由DeRosier和Klug提出的中心截面定理:一个函数沿某方向投影函数的傅里叶变换等于此函数的傅里叶变换通过原点且垂直于此投影方向的截面函数。由于样品性质的不同，图像分析的方法也有差异。东莞透射电镜技术服务中心冷冻电镜技术的独特优势：适合于研究结构不规则的大分子复合物，对于分子量的上限没有限制。

冷冻电镜技术揭示生物分子细节：冷冻电镜可以通过揭示细胞里发生的生命过程细节，帮助人们了解很多有意思的生物学现象。比如，我们吃辣椒会觉得辣，是因为辣椒里有一种叫做辣椒素的小分子。辣椒素与位于舌头神经末梢的膜蛋白TPRV1结合，打开膜蛋白上的一个通道，让细胞膜外面的离子向细胞膜内部流动，这样微小的流动产生的电流通过神经纤维较终传递到我们的大脑，让我们感受到辣的感觉。2013年，科学家利用冷冻电镜技术，以近原子分辨率解析了膜蛋白TRPV1的通道结构，以及它与辣椒素相互结合的结构。人们由此了解到，实际上是由于辣椒素结合到4个亚基所组成的通道膜蛋白上把孔道撑开，才使得离子可以穿透。

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。冷冻电镜技术中的单颗粒分析法的研究对象可以是具有某种对称性的颗粒，也可不具有任何对称性的蛋白分子。

冷冻电镜技术之冷冻蚀刻电子显微镜：冷冻蚀刻电镜技术是从50年代开始发展起来的一种将断裂和复型相结合的制备透射电镜样品技术，亦称冷冻断裂或冷冻复型，用于细胞生物学等领域的显微结构研究。冷冻蚀刻电镜的优点：①样品通过冷冻，可使其微细结构接近于活的状态;②样品经冷冻断裂蚀刻后，能够观察到不同劈裂面的微细结构，进而可研究细胞内的膜性结构及内含物结构;③冷冻蚀刻的样品，经铂、碳喷镀而制备的复型膜，具有很强的立体感且能耐受电子束轰击和长期保存。冷冻电镜技术采用的快速冷冻技术关键在于“快速”。芜湖冷冻电镜单颗粒技术服务中心

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。东莞透射电镜技术服务中心

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。东莞透射电镜技术服务中心

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