温州TEM技术服务中心

冷冻电镜技术原理之电子晶体学：利用电子显微镜对生物大分子在一维、二维以致三维空间形成的高度有序重复排列的结构(晶体)成像或者收集衍射图样，进而解析这些生物大分子的结构，这种方法称为电子晶体学。其适合的样品分子量范围为10~500kD，Zgao分辨率约0.19nm。该方法与X射线晶体学的类似之处在于均需获得高度均一的生物大分子的周期性排列，不同之处是利用电子显微镜除了可以获得晶体的电子衍射外还可以通过获得晶体的图像来进行结构解析。冷冻电镜技术采用的快速冷冻技术关键在于“快速”。温州TEM技术服务中心

冷冻电镜技术基本原理之三维冷冻电镜技术：样品经过在液氮中的冷冻固定，使得生物大分子中的H2O分子以玻璃态的形式存在，保持低温，将样品放入显微镜，高度相干的电子作为光源从上面照射下来，透过样品和附近的冰层，受到散射，利用探测器和透镜系统把散射的信号成像记录下来，再进行信号处理，较后利用三维重构的技术得到样品的三维结构。冷冻电镜技术的独特优势分辨率高：光学显微镜的分辨率为0.2μm，透射电子显微镜的分辨率为0.2nm，透射电子显微镜在光学显微镜的基础上放大了1000倍。金华冷冻透射电镜技术原理冷冻电镜技术就是在传统透射电子显微镜之上，加上了低温传输系统和冷冻防污染系统。

冷冻电镜技术是在20世纪70年代提出的，早在20世纪70年代科学家们就利用冷冻电镜研究病毒分子的结构，头次提出了冷冻电镜技术的原理、方法以及流程的概念。冷冻电镜的发展：冷冻电镜到底是什么?从上世纪70年代兴起至今，冷冻电子显微技术(cryo-EM)已经跨越了40多年的发展历史，经历了冷冻制样、单颗粒图像分析和三维重构算法等关键性技术的突破。通俗而言，冷冻电镜就是在传统透射电子显微镜之上，加上了低温传输系统和冷冻防污染系统。

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。

冷冻电子显微技术学解析生物大分子及细胞结构的中心是透射电子显微镜成像,包括样品制备、图像采集、图像处理及三维重构等几个基本步骤。三维重构：数据处理的较终目的是为了获得生物样品的三维质量密度图，由二维图像推知三维结构的方法即三维重构。其理论原理是在1968年由DeRosier和Klug提出的中心截面定理:一个函数沿某方向投影函数的傅里叶变换等于此函数的傅里叶变换通过原点且垂直于此投影方向的截面函数。由于样品性质的不同，图像分析的方法也有差异。冷冻电镜技术，是在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术。温州TEM技术服务中心

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。温州TEM技术服务中心

冷冻电镜技术测定结构的几种方法：X射线晶体学、NMR、和冷冻电镜技术各有优缺点，将这几种方法结合共同研究结构与功能将使结构生物学家对所研究的分子有更为全部的理解，而这些信息是单用任何一个方法所无法获得的。将X射线晶体模型与经电镜获得的密度图重合可以对电镜三维重构的结构作更详尽的解释，例如将牛的水通道（AQP1,与人的有90%同源性）的高分辨率的晶体结构与先前用冷冻电镜技术重构出来的人的中等分辨率水通道的三维结构进行比较，可以进一步确定冷冻电镜获得的中等分辨率的结构，同时也显示出了冷冻电镜技术的优势和局限性。另一方面，较低分辨率的电镜三维重构模型可以用来解释病毒或大分子的晶体结构。而且，将X射线晶体的精细结构与冷冻电镜的重构模型结合构建生物大分子复合物在发挥功生物学功能过程中出现的构像变化模型。这很大程度增加了我们对于复杂分子的活动机制的理解。电子显微技术，成像技术，计算机技术，生物信息技术等不同学科的结合，将为我们提供研究生命现象与本质的强有力的手段。温州TEM技术服务中心