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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。主要使用的几种冷冻电子显微学技术结构解析方法包括：电子晶体学、单颗粒重构技术、电子断层扫描等。南通冷冻电镜技术服务

冷冻电镜技术的原理：冷冻电子显微学解析生物大分子及细胞结构的中心是透射电镜成像，其基本过程包括样品制备、透射电镜成像、图像处理及结构解析等几个基本步骤。在透射电镜成像中，电子枪产生的电子在高压电场中被加速至亚光速并在高真空的显微镜内部运动，根据高速运动的电子在磁场中发生偏转的原理，透射电镜中的一系列电磁透镜对电子进行汇聚，并对穿透样品过程中与样品发生相互作用的电子进行聚焦成像以及放大，Z后在记录介质上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。珠海冷冻电子显微镜技术冷冻电镜技术能够提供生理环境下大分子复合物纳米、亚纳米甚至近原子尺度的原位结构信息。

冷冻电镜技术的原理：透射电镜成像过程中，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。1968年，AronKlug发现ZX截面定理，提出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。根据这一原理，利用透射电镜获得生物样品多个角度的放大电子显微图像，即有可能在计算机里重构出它的三维空间结构。在冷冻电子显微学结构解析的具体实践中，依据不同生物样品的性质及特点，可以采取不同的显微镜成像及三维重构方法。目前主要使用的几种冷冻电子显微学结构解析方法包括：电子晶体学、单颗粒重构技术、电子断层扫描重构技术等，它们分别针对不同的生物大分子复合体及亚细胞结构进行解析。

冷冻电子显微镜技术中单颗粒重构技术：该技术也叫做单颗粒分析，主要适用于结构具有全同性的生物大分子的结构解析，蛋白质的分子量通常要求在100KD以上，在颗粒数目足够多的情况下，理论上其分辨率可以达到原子水平。该方法的图像处理和三维重构计算过程如下:从原始的电镜照片中将颗粒图像挑选出来，对其进行二维图像对中、分类和平均，然后通过计算等价线的方法推算各分类图的取向，利用傅里叶重构法建立始三维结构模型，通过对原始图片或分类平均图与结构模型投影的匹配，优化取向参数，进而得到更准确的三维结构模型，如此反复对初始结构模型进行修正，直到收敛获得较终的结果。单颗粒重构技术近年来发展迅速，应用普遍，不断有文章报道利用此技术所获得的大分子复合物的三维结构。冷冻电镜技术中单颗粒分析法优点：样品受总辐射值小；对称颗粒的解析分辨率更高。

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。冷冻电镜技术用于生物样品三维结构解析，包含单颗粒分析、微晶电子衍射和冷冻电子断层扫描3种技术。南通TEM技术平台

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。南通冷冻电镜技术服务

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，随着电子显微镜的硬件设备和结构解析的软件算法等方面不断取得的重要突破，冷冻电镜技术必将在研究对象、分辨率水平和研究方法等各个方面取得重大进展。当然，冷冻电镜技术也面临着许多技术上的挑战，怎样改进样品的制备技术，如何如何客观地对三维重构的结果进行检验、明确结构解析的分辨率以及对生物大分子构象不均一性的分析等仍然是冷冻电镜研究中有待解决的重要问题。但是，挑战越多，机遇也就越多。相信有关的研究者们，一定能够冷静抓住机遇，勇敢迎接挑战，让冷冻电镜技术在结构生物学、细胞生物学等领域发挥更大的作用，帮助我们更加深入、透彻地研究各种生命现象。南通冷冻电镜技术服务

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