武汉生物冷冻透射电子显微镜技术原理

冷冻电镜技术近年来获得了迅猛的发展，取得了许多具有重大意义的成果。冷冻电镜将生物分子进行冷冻便可进行高分辨率成像，还具有分辨率高、更接近天然状态、适用研究对象普遍等优势。同时，系统地综述了冷冻电镜技术在科学研究中的应用，并展望冷冻电镜技术未来的发展。冷冻电镜（cryo-electronmicroscopy，cryo-EM）技術，是在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术，即把样品冷冻并保持低温放进显微镜里面，用高度相干的电子作为光源从上面照射，透过样品和附近的冰层，受到散射，再利用探测器和透镜系统把散射信号成像记录下来，较后进行信号处理，得到样品的结构。冷冻电镜技术之冷冻透射电镜通常是在普通透射电镜上加装样品冷冻设备。武汉生物冷冻透射电子显微镜技术原理

冷冻电镜技术原理之单颗粒技术：对分散分布的生物大分子分别成像，基于分子结构同一性的假设，对多个图像进行统计分析，并通过对正、加和平均等图像操作手段提高信噪比，进一步确认二维图像之间的空间投影关系后经过三维重构获得生物大分子的三维结构方法。其适合的样品分子量范围为80~50MD，Zgao分辨率约0.3nm。利用单颗粒技术获得三维重构的方法主要包括等价线方法、随机圆锥重构法、随机初始模型迭代收敛重构等方法，其基本目标是获得二维图像之间正确的空间投影关系，从而进行三维重构。莆田生物冷冻透射电子显微镜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，通过图像处理算法解析其三维结构。

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。

冷冻电镜技术之冷冻透射电镜：冷冻透射电镜(Cryo-TEM)通常是在普通透射电镜上加装样品冷冻设备，将样品冷却到液氮温度(77K)，用于观测蛋白、生物切片等对温度敏感的样品。通过对样品的冷冻，可以降低电子束对样品的损伤，减小样品的形变，从而得到更加真实的样品形貌。它的优点主要体现在以下几个方面：首先是加速电压高，电子能穿透厚样品;第二是透镜多，光学性能好;第三是样品台稳定;第四是全自动，自动换液氮，自动换样品，自动维持清洁。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。

单颗粒冷冻电镜技术：生物大分子快速冷冻后，在低温下利用透射电子显微镜对结构均一、分散的全同样品颗粒进行成像，再经图像处理及重构计算获得样品的三维结构。可研究生物大分子在溶液中的结构及构象变化、无需结晶、所需样品量相对较少，适合于蛋白质、病毒等生物大分子及其复合物的结构生物学研究。样品制备：可以根据样品、电镜载网和其他使用条件，摸索合适的单颗粒样品制备条件，纯化、收集浓度范围从几微升50nM至5uM浓度的蛋白溶液来制备单颗粒电镜样品。在-196℃时，组织中的生物大分子能够长期保持稳定性、细胞活性及组织微观结构，同时，在低温下，生物样品耐受电子辐照剂量增强，且其在电镜镜筒的高真空环境中脱水变形的问题也得以解决。Vitrobot和EMGP2均能够提供快速、简单、可重复的安自动化样品玻璃化制备过程，其在恒定的物理和机械条件下（如温度、相对湿度、吸湿条件和冷冻速度）对样品进行冷冻固定确保生物样品在低温状态下仍保持天然构象。冷冻电镜技术之冷冻蚀刻电子显微镜优点：可研究细胞内的膜性结构及内含物结构。武汉生物冷冻透射电子显微镜技术原理

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。武汉生物冷冻透射电子显微镜技术原理

冷冻电镜技术的应用场景：冷冻电镜主要应用在结构生物学和材料科学当中，如在2020戴口罩戴口罩中研究人员通过冷冻电镜技术在解析病毒结构、推测其侵染人体细胞的路径等传播原理发挥了重要作用，研究人员将戴口罩的结构与其他几种冠状病毒进行了比较，发现2019-nCoV的S蛋白整体结构与SARS病毒S蛋白的整体结构相似，各个结构之间具有高度同源性。在材料科学的应用中，冷冻电镜技术在一些对电子束、热敏感材料，如钙钛矿材料、某些高分子材料、水凝胶、量子点等精细结构的物理表征与机理研究中也具有巨大的应用潜力。武汉生物冷冻透射电子显微镜技术原理

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