襄阳冷冻电镜单颗粒技术平台

冷冻电镜是什么？冷冻电镜技术的应用：冷冻电镜主要用于扫描电镜的很低温冷冻制样和传输技术，英文名Cryo-SEM，利用冷冻电镜技术可实现直接观察液体和半液体及对电子束敏感的样品，如生物、高分子材料等。尤其是在戴口罩戴口罩中，利用冷冻电镜技术可解析病毒结构、推测其侵染人体细胞的路径等传播原理发挥了重要作用，为人类攻坚戴口罩防护、研发疫苗提供了重要的理论依据。冷冻电镜是什么？样品经过很低温冷冻、断裂、镀膜制样（喷金/喷碳）等处理后，通过冷冻传输系统放入电镜内的冷台（温度可至-185℃）即可进行观察。其中，快速冷冻技术可使水在低温状态下呈玻璃态，减少冰晶的产生，从而不影响样品本身结构，冷冻传输系统保证在低温状态下对样品进行电镜观察。冷冻电镜技术之冷冻蚀刻电子显微镜优点：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。襄阳冷冻电镜单颗粒技术平台

冷冻电子显微镜技术步骤之样品制备：用于冷冻电镜研究的生物样品必须非常纯净。生物样品是在高真空的条件下成像的，所以样品的制备既要能够保持本身的结构又能抗脱水、电子辐射。现在普遍采用的方法是通过快速冷冻使含水样品中的水处于玻璃态，也就是在亲水的支持膜上将含水样品包埋在一层较样品略高的薄冰内。冰的结构多种多样，包括六角形冰、立方体冰等，其物理状态与冷冻速率有关。若要形成玻璃态(即无定形态)的冰，需要冷冻速率达到每秒钟104摄氏度。此时，冰的结构呈现各向同性，不会因成像角度不同而导致图像产生偏差。该方法有两个步骤:一是将样品在载网上形成一薄层水膜:二是将第步获得的含水薄膜样品快速冷冻。在多数情况下，用手工将载网迅速浸入液氮内可使水冷冻成为玻璃态。其优点在于将样品保持在接近生活状态，不会因脱水而变形，同时可以减少辐射损伤。南京低温冷冻透射电子显微镜技术平台冷冻电镜技术与X射线晶体学、核磁共振一起构成了高分辨率结构生物学研究的基础。

单颗粒冷冻电镜技术的图像处理技术：经过多年的发展，目前冷冻电镜的数据处理部分主要包含了以下的流程：(1)衬度传递函数的修正(CTFcorrection)；(2)样品分子投影数据的筛选(particleselection)；(3)二维投影数据的分类和降噪(2Danalysis)；(4)三维模型的重构和优化(3Dreconstructionandrefinement)；(5)多重构象的结构分析(heterogeneityanalysis)；(6)对重建结构分辨率的分析(structureresolutionassessment)；(7)结合生物化学原理和实验数据对三维结构的解读(modelinterpretationandvalidation)。

冷冻电镜技术揭示生物分子细节：科学家在透射电子显微镜之上发明了冷冻电镜，实现了生物分子“近原子级”的分辨率，让人类终于可以一窥究竟生物分子是如何执行其功能。在过去几年里，冷冻电子显微镜技术逐渐成为结构生物学的重要研究工具。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，然后利用快速冷冻技术将其瞬间冷冻至液氮温度下。冷冻速度非常快，以至于水膜无法形成晶体，而是形成一层玻璃态的冰。生物大分子就被固定在这层薄冰里。将这样的冷冻样品保持低温放置在透射电子显微镜下观察，从而获得生物大分子的结构，被称为冷冻电镜技术。冷冻电镜技术之冷冻扫描电镜是克服样品含水问题的一个快速、可靠和有效的方法。

冷冻电子显微镜技术中电子断层扫描重构技术：电子断层扫描技术是从一个物体的投影图像重构获得物体内部结构的技术，通过获取同一物体的多个连续角度下的二维投影图来反向重构它的三维结构。简单地说，电子断层扫描技术就是将一个物体(样品)沿着一个与电子束垂直的轴旋转，每旋转一个角度，采集这个物体在相对应方向上的二维投影像，通过对这些二维投影图的处理(相互配准)，将不同角度的二维投影图反向重构(如加权背投影等方法)，获得样品整体三维结构的技术。电子断层成像适合于在纳米级尺度上研究不具有结构均一性的蛋白、病毒、细胞器以及它们之间组成的复合体的三维结构。与电子晶体学和单颗粒技术相比，这种技术无需样品颗粒具有结构同一性，也不强调样品具有一定的对称性。因此，虽然目前电子断层成像所获得的结构的分辨率(约4~10纳米)不能与以上两种技术相比，但其在研究非定形、不对称和不具全同性的生物样品的三维结构和功能中有着不可替代的作用。冷冻电镜技术中的单颗粒分析法在分析具有同质性结构的样品时表现出更方便、更优异的成像能力。襄阳冷冻电镜单颗粒技术平台

冷冻电子显微镜技术之样品成像：低剂量辐照成像，普通样品材料在进行表征时，电子剂量越高成像质量越好。襄阳冷冻电镜单颗粒技术平台

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。襄阳冷冻电镜单颗粒技术平台

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