十堰单颗粒冷冻电镜技术平台

冷冻电镜技术揭示生物分子细节：在透射电子显微镜下，高能电子束穿透每一个分子，如同X光穿过人的身体一样，可以拍摄到分子的形貌和它内部的结构信息。科学家们利用计算机将样本里的每一个分子提取出来，把相似的分子予以归类，然后叠加、平均获得其内部结构更为精细的图像，由此得到分子不同方向的二维结构，较后经过计算机三维重构算法，可以得到分子的三维模型。这一过程被称为冷冻电镜三维重构解析。冷冻电镜技术的发展，使得现在的人类可以对细胞内的生命活动有更多了解。未来，科学家将借助冷冻电镜技术继续对复杂生命体的解读。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。十堰单颗粒冷冻电镜技术平台

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。湖州透射电镜技术冷冻电镜技术中的单颗粒分析法理论成像分辨率更高。

冷冻电镜技术是什么呢？冷冻电镜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。冷冻电镜单颗粒分析技术（cryo-EMSPA）是一种以单颗粒形式分析生物分子组装的新方法，通过将负染电镜筛选获得的合适浓度的生物分子样品快速冷冻，使生物大分子以近天然状态存在于无定形冰中，然后进行冷冻样品的筛选、数据收集和三维结构解析，从而获得高分辨率的生物分子结构。冷冻电镜单颗粒分析技术能够从分子层面进行详细的研究，解析基于结构的药物研发的分子基础，而冷冻电子断层扫描能够从亚细胞水平观察目标分子在原位细胞环境中的作用位点和作用机制，相信在不久的将来能够用于进一步确认基于结构的药物研究的可靠性。微晶电子衍射不只能够进行小分子微晶结构解析，也可与现有技术互补，进行生物大分子及其复合物的微晶结构解析。

冷冻电镜技术的仪器结构：冷冻电子显微镜的仪器结构与透射电子显微镜的基本结构相似，只是在进样之前搭载了液态乙烷罐与冷冻仓，保证在样品快速冷冻后能够即刻转移至样品仓内。冷冻室：在实际操作中，向液态乙烷中投入样品时，乙烷会在样品周围快速沸腾，形成绝缘气态膜，减慢向低温液体的热传递，称为莱顿弗罗斯效果好应。因此要使厚度超过几微米的样品中的水以足够高的冷却速度产生非晶冰非常困难。冷冻室中加入旋转叶片真空泵将冷冻剂泵入，可以提高冷却速度。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。

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。冷冻电镜技术也正在成为助力医药研发的有力手段。东莞快速冷冻显微镜技术服务

基于结构的药物设计已经逐渐成为药物开发设计的主流，与此同时冷冻电镜技术也在蓬勃发展。十堰单颗粒冷冻电镜技术平台

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。十堰单颗粒冷冻电镜技术平台

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