淮南低温电子显微镜技术平台

时间:2022年12月09日 来源:

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。冷冻电镜技术既完美契合了结构生物学的基础研究,又能够助力加速基于结构的药物研发。淮南低温电子显微镜技术平台

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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。淮南低温电子显微镜技术平台冷冻电镜技术将在研究对象、分辨率水平和研究方法等各个方面取得重大进展。

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单颗粒冷冻电镜技术二维图像分析——颗粒图像的匹配与分类:二维颗粒图像的分类是获取三维结构过程的第一步。对二维图像的分析包括两部分:颗粒图像的匹配和颗粒图像的分类。匹配的过程通常会对颗粒图像应用一些变换操作,通过关联函数去判断不同颗粒图像之间的相似程度。图像匹配的算法主要分为两种,即不依赖模型的方法和基于模型的方法,取决于是否存在利用样本先验信息得到的模板。随着图像匹配的完成,颗粒图像需要进行分类。主要利用多元统计分析和主成分分析方法等算法,其他流行的二维颗粒分类技术还有神经网络分类,将图像在二维空间自组织映射(self-organisingmapping,SOM)再进行分类和排序。二维图像分析的目的是,首先通过图像匹配消除旋转和平移的误差,利用类内紧致、类间离散的原则进行图像分类,较终可以对类内颗粒图像进行平均,提高信噪比,从而实现对高分辨率三维结构的构建。

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。冷冻电子显微镜技术步骤样品制备注意:用于冷冻电镜研究的生物样品必须非常纯净。

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冷冻电镜技术未来之路在何方?除了蛋白等生物大分子外,生物样品还有很重要的一面是细胞和组织。即使是目前有很多重要的蛋白结构都得到了埃米级别的解析,但由于它们都是纯化出来的,已经脱离了原来位置,就如同一片树叶脱离了大树,研究的再深刻,目前也只是一叶遮目,不要说推测这片树叶在森林里的位置,即使是在哪颗特定大树上的生长部位和结构都很难说。因此解析细胞或组织这样大尺度的高分辨精细结构具有更普遍的生物学意义。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。芜湖TEM技术特点

冷冻电镜技术具有更接近天然状态、适用研究对象普遍等优势。淮南低温电子显微镜技术平台

冷冻电镜技术工作流程:做好前面的工作就需要设定较佳的参数(比如:欠焦值、放大倍数和电子剂量等),记录这些样品区域的大量图像,用手工或半自动程序框取那些离散的分子形成的投影图。然后就是三维结构搭建。由于电子可能对非常敏感的样品造成辐射损伤,所以单颗粒冷冻电镜只能采用非常低的电子量,而这种电镜2D投影图像有非常大的背景噪声。为提高图像分辨率,研究人员首先需要提出一个初始的3D模型,然后对捕获的单颗粒2D图像进行分选。淮南低温电子显微镜技术平台

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