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芜湖低温冷冻透射电子显微镜技术原理

来源: 发布时间:2022年12月11日

冷冻电镜技术原理之电子断层扫描成像技术:通过在显微镜内倾转样品从而收集样品多角度的电子显微图像并对这些电子显微图像根据倾转几何关系进行重构的方法称为电子断层扫描成像技术。该方法主要应用于细胞及亚细胞器,以及没有固定结构的生物大分子复合物(分子量范围为800kD),Zgao分辨率约2nm。冷冻电镜的分类:目前我们讨论的冷冻电镜基本上指的都是冷冻透射电镜,但是如果我们以使用冷冻技术的角度定义冷冻电镜的话,冷冻电镜主要可以分为冷冻透射电镜、冷冻扫描电镜、冷冻蚀刻电子显微镜。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。芜湖低温冷冻透射电子显微镜技术原理

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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。南京低温冷冻透射电镜技术应用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。

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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。

冷冻电子显微镜技术步骤之图像采集:冷冻的样品通过专门的设备一冷冻输送器转移到电镜的样品室。在照相之前,必须观察样品中的水是否处于玻璃态,如果不是则应重新制备样品。由于生物样品对高能电子的辐射敏感,照相时必须使用较小曝光技术。经过透射电子显微镜中一系列复杂的过程,较终在记录介质上会形成样品放大几千倍至几十万倍的图像。利用计算机对这些放大的图像进行处理分析即可获得样品的精细结构。近年来,一个技术上的重大突破是高分辨率图像采集设备的开发与应用。基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术开发的直接探测电子成像的装置使电子显微放大图像的信噪比相对过去所使用的底片或电荷耦合元件(CCD)有了很大提高、进而提高了成像的质量。冷冻电镜技术中单颗粒分析法优点:解析生物大分子的理论分辨率可达原子级。

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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。冷冻电镜技术之冷冻透射电镜通过对样品的冷冻,降低电子束对样品的损伤,从而得到更加真实的样品形貌。黄石冷冻透射电子显微镜技术原理

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。芜湖低温冷冻透射电子显微镜技术原理

低温冷冻透射电镜技术的特点:相对于常温透射电镜,低温透射电镜的优势有:①快速冷冻制样技术将样品固定在玻璃态的冰层中,避免了水或溶剂结晶对样品结构的破坏,能够保持液相中有机分子自组装体和化学反应中间体的微观结构,避免了样品干燥引起的结构变化;②高分子及化学反应体系常常具有非平衡态结构,快速冷冻制样技术能够保持住非平衡态结构,进而得以观察;③低温条件能够尽可能保持有机和高分子等软物质材料的微观结构,明显减少电子束对样品的损伤。芜湖低温冷冻透射电子显微镜技术原理

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