上海低温电子显微镜技术原理
冷冻电镜技术的仪器结构:(1)图像记录系统:收集来自样品的电子信号,在荧光屏上形成图像。(2)电子枪:产生电子束的部分,聚光镜系统负责将电子束聚焦到样本样品上。(3)图像生成系统:由物镜,中间和投影仪镜头以及可移动平台组成。冷冻电镜已经能解析出生物大分子的原子级分辨率(0.2-0.3nm)结构,但是这一结果离物理极限还有较大距离。长久以来,冷冻电镜在结构生物学领域取得了巨大成功,目前,多构象蛋白的三维分类问题和生物大分子的动力学分析依然是充满挑战的研究方向,新型的算法发展也将主要围绕这些问题展开。而作为一种低信号源激发测试技术,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。他山之石,可以攻玉。随着硬件设备与模拟算法的改进,这项带着结构生物化学研究迈入新纪元的技术,未来必定拥有更加广阔的应用前景。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。上海低温电子显微镜技术原理
为什么要做冷冻透射电子显微镜技术服务?a.反应样品溶液里结构:如有机分子组装成的微球、囊泡、胶束、纳米管、片层、水凝胶结构等(往往一般透射拍摄到的都是溶液挥发干了之后的结构,但是这样的结构无论是形貌和尺寸和溶液里都有一定差别,现在好多文章的审稿意见都会需要这类结构的透射照片在溶液里的真实形貌,说简单了就是让补一个冷冻透射);b.不稳定的纳米结构:比如经不起强电子束照射的样品(MOF、COF等若相互作用力结合的材料,如金属配位、氢键相互作用、亲疏水作用力、ππ堆叠等)在强电子束照射下结构会坍塌,冷冻电镜全程在-160℃下可以做到对样品损害较小;c.生物类分子好多都需要冷冻,因为生物分子本身都需要在水或者血液等存活,一些生物样品构筑的一些纳米结构,如纳米微球、囊泡、膜、多孔材料等等。芜湖冷冻电镜技术应用冷冻电镜技术,是用于扫描电镜的很低温冷冻制样及传输技术。
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。
单颗粒冷冻电镜技术的颗粒挑选:接下来需要从原始数据中筛选出颗粒投影,也被称为“颗粒挑选”,颗粒挑选的好坏也将影响所有后续的分析和处理过程,是一个重要并且繁琐的步骤。颗粒挑选方式可以分为手动挑选、半自动挑选和完全自动挑选这几种。在早期的分析中,对于结构的了解还非常少,优先考虑的都是人工挑选。但是自动的颗粒图像获取方法的出现使得在很短时间内可以收集数十万张颗粒图像,人工挑选大量的颗粒图像不太现实,并且人工的挑选通常会过于集中于某一类颗粒图像,导致遗漏和偏差。半自动和全自动的方法主要有以下三类:(1)通过例如降噪、反衬增强、边缘算子等图像形态学方法搜索区域,基于数字图像处理学的原理,将颗粒图像与背景分离开来。(2)基于模板的方法,通过扫描数据图像和已知的模板比较来挑选出潜在的颗粒图像,模板的来源通常为手动选出的数据图像中较为清晰的颗粒图像,或者是已知结构的投影。(3)结合无模板和有模板的方法,通过一些有监督的机器学习算法进行颗粒挑选。冷冻电镜技术采用的快速冷冻技术关键在于“快速”。
冷冻电子显微技术的发展与完善经历了复杂而艰辛的探索,下面,我们将深入解析冷冻电子显微镜的工作原理、流程与仪器结构,揭开它的庐山真面目。样品制备:样品快速冷冻技术:样品的原位冷冻固定处理是低温电子显微镜标本制备的开始。冷冻电镜采用的快速冷冻技术关键在于“快速”。这是由于:采用常规冷冻手段,水分子会在氢键作用下形成冰晶,一来会改变样品结构,二来在成像过程中,冰晶体会产生强烈的电子衍射掩盖样品信号。而当冷冻速率足够快时,水分子在形成晶体之前就会凝固成无定形的玻璃态冰,具有非晶态特性,保证了在电子束探测成像的过程中不会对样品成像造成干扰。冷冻固定时,样品首先放置在由液氮冷却的容器中,随后被快速浸入液态乙烷中。采用液态乙烷作为冷冻剂的目的是为了使冷冻速率足够快,在冷冻过程中,样品将以每秒104至106K的速度被快速冷却。生物样品中的水被玻璃化冷冻后,样品结构就得到了保持和固定,同时玻璃化冰也不会在真空环境中挥发,在一定程度上保护了样品免受电子辐射的损伤。冷冻电镜技术的独特优势:它与X射线晶体学、核磁共振一起构成了结构生物学研究的基础。徐州冷冻电镜技术原理
冷冻电镜技术的基本原理利用快速冷冻技术将其瞬间冷冻至液氮温度下。上海低温电子显微镜技术原理
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。上海低温电子显微镜技术原理
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