冷凍電鏡工作原理是怎樣的? _是怎樣

說道冷凍電鏡，全稱叫做冷凍電子顯微鏡(Cryoelectron Microscopy)，簡單的說就是通過電子顯微鏡去觀察冷凍起來的固體樣本，然后得出清晰的三維結構。這項技術能夠清晰的觀察液體、半液體及對電子束敏感的樣品，如生物、高分子材料等。那么今天吾愛詩經網小編就帶著大家一起來了解一下冷凍電鏡這項技術。

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1. 什么是冷凍電子顯微鏡技術冷凍電子顯微鏡技術，也叫冷凍電鏡技術，是在低溫下使用透射電子顯微鏡觀察樣品的顯微技術，即把樣品凍起來并保持低溫放進顯微鏡里面，用高度相干的電子作為光源從上面照下來，透過樣品和附近的冰層，受到散射。我們再利用探測器和透鏡系統把散射信號成像記錄下來，最后進行信號處理，得到樣品的結構。冷凍電鏡技術作為一種重要的結構生物學研究方法，它與X射線晶體學、核磁共振一起構成了高分辨率結構生物學研究的基礎。這項技術獲得了2017年的諾貝爾化學獎。獲獎理由是“開發出冷凍電子顯微鏡技術(也稱為低溫電子顯微鏡技術)用于確定溶液中的生物分子的高分辨率結構”，簡化了生物細胞的成像過程，提高了成像質量。

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2. 冷凍電子顯微鏡成像原理在光學顯微鏡下，可見光穿過標本就會通過光學透鏡進行折射形成圖像。電子顯微鏡與光學顯微鏡的成像原理基本一樣，所不同的是電子顯微鏡采用電子束作光源，采用80-300kV電子束加速電壓，用電磁場作透鏡。兩者的主要區別是分辨率不同，而影響分辨率的直接因素是光源的波長，即波長越短，分辨率越高。光子的波長大概在500nm左右。電子的波長是光子波長的十萬分之一左右。1975年，Henderson通過電子顯微鏡首次解析得到了分辨率為0.7nm的細菌視紫紅質的結構，這些開拓性的研究最終確定了細菌視紫紅質以及其他膜蛋白，如水通道蛋白的近原子分辨率圖。這些研究為許多二十面體病毒的原子分辨率模型的生成奠定了基礎。非有機樣品的分辨率甚至更高，它們在成像過程中承受的電子劑量比生物材料高得多，而且結構完整。
那么，為什么不能在原子分辨率的電子顯微鏡下，直接對單個蛋白質、病毒和細胞的自然狀態進行常規成像呢?

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在傳統的透射電鏡下，一般采用使用負染色法來減輕損傷，即在可接觸的分子表面涂上含有重原子的試劑，如醋酸鈾酰，這種試劑的輻射敏感性比有機物低得多。通常形成的細胞、病毒和蛋白質圖像分辨率在2-4 nm 。對未染色標本進行高分辨率成像的困難在于，為了使損傷最小化所降低的電子劑量，會產生噪聲圖像，而電子劑量高到足以獲得良好的信噪比時，則會導致標本損傷達到不可接受的程度。
為了解決上述為題，冷凍電鏡技術采用了以下兩種方法，第一種方法是使用保存在液氮或液氦溫度下的冷凍標本進行成像。近40年來，對室溫下衍射強度與低溫下衍射強度衰減的測量表明，低溫電子顯微鏡可以降低輻射損傷的影響。采用一種在一層玻璃態冰中快速冷凍(玻璃化)生物標本，然后在液氮或氦氣溫度下成像的方法，使得低溫電鏡技術得到廣泛應用。將水溶液注入液氮冷卻的乙烷等冷凍液中，是一種用于制備用于層析成像、單顆粒成像以及螺旋和二維晶體的冷凍電子顯微鏡樣品的方法。與室溫下相比，在液氮溫度下成像可以減少多達六倍的輻射損傷。這意味著每單位電子劑量的輻射損傷減少，對于低溫下記錄的圖像，可以使用更高的電子劑量來增加信噪比。事實上，液氮和液氦都被成功地用于近原子分辨率的三維重建，在它們的冷卻下，分辨率可達大約0.4到2 nm 。第二種提高信噪比的方法是對大量同一生物標本單元的圖像進行平均。該技術首次應用于螺旋組裝體和二維蛋白晶體的室溫成像及低溫成像。這兩個概念，即低溫成像的概念和多幅低劑量圖像平均的概念，構成了現代高分辨率生物電子顯微鏡的基礎。