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冷冻电镜Cryo-TEM详解：样品冷冻与成像原理

来源：时间：2024-08-02 09:55:41 浏览：2469次

冷冻电镜Cryo-TEM详解：样品冷冻与成像原理

冷冻电镜（Cryo-TEM）技术是一种能够在低温条件下对生物样品进行成像的电子显微技术。近年来，随着技术的不断发展，冷冻电镜在生物科学研究领域取得了重大突破，为解析生物大分子结构提供了强有力的手段。

一、样品冷冻原理

1. 快速冷冻技术

冷冻电镜的核心在于快速冷冻技术，它能将生物样品迅速冷却至液氮温度（-196℃），使样品中的水分子形成非晶态冰，从而保持生物样品在近生理状态下的结构。快速冷冻技术主要包括以下两种方法：

（1）高压冷冻：将样品置于高压环境中，使水分子在冷冻过程中不易形成冰晶。这种方法适用于细胞、组织等较大体积的生物样品。

（2）滴注冷冻：将样品溶液滴注到冷冻载体上，如铜网格或微栅，然后迅速冷冻。这种方法适用于蛋白质、病毒等较小体积的生物样品。

2. 冷冻过程

冷冻电镜的冷冻过程主要包括以下几个步骤：

（1）样品制备：将生物样品稀释至适当浓度，并添加冷冻保护剂（如甘油、乙二醇等）以降低冰晶形成的可能性。

（2）滴注样品：将样品溶液滴注到冷冻载体上，形成薄层。

（3）快速冷冻：采用高压冷冻或滴注冷冻方法，使样品迅速冷却至液氮温度。

（4）冷冻样品转移：将冷冻后的样品转移到冷冻传输装置，如冷冻传输杆，以便在低温条件下进行电镜观察。

二、成像原理

1. 电子束与样品相互作用

冷冻电镜采用高能电子束对冷冻样品进行照射，电子束与样品中的原子发生相互作用，产生信号。这些信号包括透射电子、弹性散射电子、非弹性散射电子等。其中，透射电子携带了样品的结构信息，是成像的主要信号。

2. 成像模式

冷冻电镜的成像模式主要包括以下几种：

（1）透射电子显微镜（TEM）模式：通过检测透射电子，获得样品的二维图像。在冷冻电镜中，TEM模式主要用于观察样品的整体形态和内部结构。

（2）扫描透射电子显微镜（STEM）模式：利用聚焦电子束扫描样品，获得样品的元素分布信息。STEM模式在冷冻电镜中可用于分析样品的化学成分。

（3）低剂量成像：为了减少电子束对样品的损伤，冷冻电镜采用低剂量成像技术。通过降低电子束的剂量，延长样品在电子束下的寿命，从而获得高质量的图像。

3. 图像处理与分析

冷冻电镜获得的原始图像需要经过一系列处理和分析，才能提取出有用的结构信息。主要包括以下步骤：

（1）图像校正：消除图像中的畸变、失真等，提高图像质量。

（2）图像分割：将图像中的目标物体与背景分离，便于后续分析。

（3）三维重建：根据二维图像，采用计算机算法重建样品的三维结构。

（4）结构解析：对重建的三维结构进行解析，揭示生物大分子的空间构象和相互作用。

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