冷凍電鏡原理

冷凍電鏡原理

冷凍電子顯微學解析生物大分子及細胞結構的核心是透射電子顯微鏡成像，其基本過程包括樣品制備、透射電子顯微鏡成像、圖像處理及結構解析等幾個基本步驟（圖3.1）。在透射電子顯微鏡成像中，電子槍產生的電子在高壓電場中被加速至亞光速并在高真空的顯微鏡內部運動，根據高速運動的電子在磁場中發生偏轉的原理，透射電子顯微鏡中的一系列電磁透鏡對電子進行匯聚，并對穿透樣品過程中與樣品發生相互作用的電子進行聚焦成像以及放大，最后在記錄介質上形成樣品放大幾千倍至幾十萬倍的圖像，利用計算機對這些放大的圖像進行處理分析即可獲得樣品的精細結構。

透射電子顯微鏡成像過程中，電子束穿透樣品，將樣品的三維電勢密度分布函數沿著電子束的傳播方向投影至與傳播方向垂直的二維平面上。1968 年，AronKlug發現中心截面定理（圖3.3），提出可以通過三維物體不同角度的二維投影在計算機內進行三維重構來解析獲得物體的三維結構。根據這一原理，利用透射電子顯微鏡獲得生物樣品多個角度的放大電子顯微圖像，即有可能在計算機里重構出它的三維空間結構。在冷凍電子顯微學結構解析的具體實踐中，依據不同生物樣品的性質及特點，可以采取不同的顯微鏡成像及三維重構方法。目前主要使用的幾種冷凍電子顯微學結構解析方法包括：電子晶體學、單顆粒重構技術、電子斷層掃描重構技術等，它們分別針對不同的生物大分子復合體及亞細胞結構進行解析。