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冷凍電鏡技術(shù)是在20世紀(jì)70年代提出的，早在20世紀(jì)70年代科學(xué)家們就利用冷凍電鏡研究病毒分子的結(jié)構(gòu)，首次提出了冷凍電鏡技術(shù)的原理、方法以及流程的概念。
冷凍電鏡的發(fā)展冷凍電鏡到底是什么?從上世紀(jì)70年代興起至今，冷凍電子顯微技術(shù)(cryo-EM)已經(jīng)跨越了40多年的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了冷凍制樣、單顆粒圖像分析和三維重構(gòu)算法等關(guān)鍵性技術(shù)的突破。通俗而言，冷凍電鏡就是在傳統(tǒng)透射電子顯微鏡之上，加上了低溫傳輸系統(tǒng)和冷凍防污染系統(tǒng)。
冷凍電子顯微技術(shù)主要包括單顆粒冷凍電鏡技術(shù)和冷凍電子斷層掃描技術(shù)。單顆粒冷凍電鏡技術(shù)首先捕獲大量隨機(jī)分布的同一種生物樣品的二維圖像，然后通過圖像處理算法解析其三維結(jié)構(gòu)。
近年來，隨著冷凍電鏡設(shè)備和計(jì)算機(jī)軟硬件的快速發(fā)展，特別是隨著直接電子探測器在冷凍電鏡中的應(yīng)用，單顆粒冷凍電鏡技術(shù)邁進(jìn)了原子分辨率水平，在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和新藥研發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。
冷凍電鏡通過記錄單個(gè)生物樣品在傾斜旋轉(zhuǎn)過程中投影的一系列二維圖像，采用特殊的算法計(jì)算，將二維圖像重構(gòu)為三維斷層圖像。冷凍電鏡主要研究組織、細(xì)胞和微生物中的超微結(jié)構(gòu)，它能夠提供生理環(huán)境下大分子復(fù)合物納米、亞納米甚至近原子尺度的原位結(jié)構(gòu)信息以及其與其它大分子的相互作用信息。
冷凍電鏡的原理冷凍電子顯微學(xué)解析生物大分子及細(xì)胞結(jié)構(gòu)的核心是透射電鏡成像，其基本過程包括樣品制備、透射電鏡成像、圖像處理及結(jié)構(gòu)解析等幾個(gè)基本步驟。在透射電鏡成像中，電子槍產(chǎn)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(nèi)部運(yùn)動(dòng)，根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的電子在磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原理，透射電鏡中的一系列電磁透鏡對(duì)電子進(jìn)行匯聚，并對(duì)穿透樣品過程中與樣品發(fā)生相互作用的電子進(jìn)行聚焦成像以及放大，最后在記錄介質(zhì)上形成樣品放大幾千倍至幾十萬倍的圖像，利用計(jì)算機(jī)對(duì)這些放大的圖像進(jìn)行處理分析即可獲得樣品的精細(xì)結(jié)構(gòu)。
透射電鏡成像過程中，電子束穿透樣品，將樣品的三維電勢密度分布函數(shù)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(fā)現(xiàn)中心截面定理，提出可以通過三維物體不同角度的二維投影在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行三維重構(gòu)來解析獲得物體的三維結(jié)構(gòu)。根據(jù)這一原理，利用透射電鏡獲得生物樣品多個(gè)角度的放大電子顯微圖像，即有可能在計(jì)算機(jī)里重構(gòu)出它的三維空間結(jié)構(gòu)。
在冷凍電子顯微學(xué)結(jié)構(gòu)解析的具體實(shí)踐中，依據(jù)不同生物樣品的性質(zhì)及特點(diǎn)，可以采取不同的顯微鏡成像及三維重構(gòu)方法。目前主要使用的幾種冷凍電子顯微學(xué)結(jié)構(gòu)解析方法包括：電子晶體學(xué)、單顆粒重構(gòu)技術(shù)、電子斷層掃描重構(gòu)技術(shù)等，它們分別針對(duì)不同的生物大分子復(fù)合體及亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析。
1、電子晶體學(xué)
利用電子顯微鏡對(duì)生物大分子在一維、二維以致三維空間形成的高度有序重復(fù)排列的結(jié)構(gòu)(晶體)成像或者收集衍射圖樣，進(jìn)而解析這些生物大分子的結(jié)構(gòu)，這種方法稱為電子晶體學(xué)。其適合的樣品分子量范圍為10~500kD，最高分辨率約0.19nm。該方法與X射線晶體學(xué)的類似之處在于均需獲得高度均一的生物大分子的周期性排列，不同之處是利用電子顯微鏡除了可以獲得晶體的電子衍射外還可以通過獲得晶體的圖像來進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析。
2、單顆粒技術(shù)
對(duì)分散分布的生物大分子分別成像，基于分子結(jié)構(gòu)同一性的假設(shè)，對(duì)多個(gè)圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并通過對(duì)正、加和平均等圖像操作手段提高信噪比，進(jìn)一步確認(rèn)二維圖像之間的空間投影關(guān)系后經(jīng)過三維重構(gòu)獲得生物大分子的三維結(jié)構(gòu)方法。其適合的樣品分子量范圍為80~50MD，最高分辨率約0.3nm。利用單顆粒技術(shù)獲得三維重構(gòu)的方法主要包括等價(jià)線方法、隨機(jī)圓錐重構(gòu)法、隨機(jī)初始模型迭代收斂重構(gòu)等方法，其基本目標(biāo)是獲得二維圖像之間正確的空間投影關(guān)系，從而進(jìn)行三維重構(gòu)。
3、電子斷層掃描成像技術(shù)
通過在顯微鏡內(nèi)傾轉(zhuǎn)樣品從而收集樣品多角度的電子顯微圖像并對(duì)這些電子顯微圖像根據(jù)傾轉(zhuǎn)幾何關(guān)系進(jìn)行重構(gòu)的方法稱為電子斷層掃描成像技術(shù)。該方法主要應(yīng)用于細(xì)胞及亞細(xì)胞器，以及沒有固定結(jié)構(gòu)的生物大分子復(fù)合物(分子量范圍為800kD)，最高分辨率約2nm。
冷凍電鏡的分類目前我們討論的冷凍電鏡基本上指的都是冷凍透射電鏡，但是如果我們以使用冷凍技術(shù)的角度定義冷凍電鏡的話，冷凍電鏡主要可以分為冷凍透射電鏡、冷凍掃描電鏡、冷凍蝕刻電子顯微鏡。
1、冷凍透射電鏡
冷凍透射電鏡(Cryo-TEM)通常是在普通透射電鏡上加裝樣品冷凍設(shè)備，將樣品冷卻到液氮溫度(77K)，用于觀測蛋白、生物切片等對(duì)溫度敏感的樣品。通過對(duì)樣品的冷凍，可以降低電子束對(duì)樣品的損傷，減小樣品的形變，從而得到更加真實(shí)的樣品形貌。
一臺(tái)冷凍透射電鏡的價(jià)格在600萬美元左右，價(jià)格極其昂貴，它的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一是加速電壓高，電子能穿透厚樣品;第二是透鏡多，光學(xué)性能好;第三是樣品臺(tái)穩(wěn)定;第四是全自動(dòng)，自動(dòng)換液氮，自動(dòng)換樣品，自動(dòng)維持清潔。
2、冷凍掃描電鏡
掃描電鏡工作者都面臨著一個(gè)不能回避的事實(shí)，就是所有生命科學(xué)以及許多材料科學(xué)的樣品都含有液體成分。很多動(dòng)植物組織的含水量達(dá)到98%，這是掃描電鏡工作者最難對(duì)付的樣品問題。
冷凍掃描電鏡(Cryo-SEM)技術(shù)是克服樣品含水問題的一個(gè)快速、可靠和有效的方法。這種技術(shù)還被廣泛地用于觀察一些“困難”樣品，如那些對(duì)電子束敏感的具有不穩(wěn)定性的樣品。各種高壓模式如VP、LVESEM的出現(xiàn)，已允許掃描電鏡觀察未經(jīng)冷凍和干燥的樣品。但是，冷凍掃描電鏡仍然是防止樣品丟失水分的最有效方法，它能應(yīng)用于任何真空狀態(tài)，包括裝于掃描電鏡的Peltier臺(tái)以及向樣品室內(nèi)沖以水汽的裝置。冷凍掃描電鏡還有一些其他優(yōu)點(diǎn)，如具有冷凍斷裂的能力以及可以通過控制樣品升華刻蝕來選擇性地去除表面水分(冰)等。
3、冷凍蝕刻電子顯微鏡
冷凍蝕刻電鏡技術(shù)是從50年代開始發(fā)展起來的一種將斷裂和復(fù)型相結(jié)合的制備透射電鏡樣品技術(shù)，亦稱冷凍斷裂或冷凍復(fù)型，用于細(xì)胞生物學(xué)等領(lǐng)域的顯微結(jié)構(gòu)研究。
冷凍蝕刻電鏡的優(yōu)點(diǎn)：①樣品通過冷凍，可使其微細(xì)結(jié)構(gòu)接近于活體狀態(tài);②樣品經(jīng)冷凍斷裂蝕刻后，能夠觀察到不同劈裂面的微細(xì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可研究細(xì)胞內(nèi)的膜性結(jié)構(gòu)及內(nèi)含物結(jié)構(gòu);③冷凍蝕刻的樣品，經(jīng)鉑、碳噴鍍而制備的復(fù)型膜，具有很強(qiáng)的立體感且能耐受電子束轟擊和長期保存。
冷凍蝕刻電鏡的缺點(diǎn)：冷凍也可造成樣品的人為損傷;斷裂面多產(chǎn)生在樣品結(jié)構(gòu)最脆弱的部位，無法有目的地選擇。
透射電鏡即透射電子顯微鏡(簡稱TEM)，通常稱作電子顯微鏡或電鏡(EM)，是使用最為廣泛的一類電鏡。已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等各個(gè)研究領(lǐng)域，成為組織學(xué)、病理學(xué)、解剖學(xué)以及臨床病理診斷的重要工具之一。
03-20
原位透射電鏡得到巨大的發(fā)展，為材料科學(xué)家、化學(xué)家提供了一種原子尺度下，原位觀察材料化學(xué)反應(yīng)和轉(zhuǎn)變的新方法。隨著原位透射電鏡的發(fā)展，科學(xué)家也可利用其進(jìn)一步理解納米材料化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理。
03-20
低溫透射電鏡技術(shù)是在低溫下將液相樣品中的水或其它溶劑快速冷凍固定后，在低溫環(huán)境下使用透射電鏡進(jìn)行觀察的技術(shù)。低溫透射電鏡實(shí)驗(yàn)要求樣品在制樣、傳輸和觀察整個(gè)過程中都保持在低溫狀態(tài)。
03-20
球差校正透射電鏡(AC-TEM)隨著納米材料的興起而進(jìn)入普通研究者的視野。超高的分辨率配合諸多的分析組件使球差校正透射電鏡成為深入研究納米世界不可或缺的利器。
03-20
冷凍蝕刻技術(shù)是從50年代開始發(fā)展起來的一種將斷裂和復(fù)型相結(jié)合的制備透射電鏡樣品技術(shù)，亦稱冷凍斷裂或冷凍復(fù)型，用于細(xì)胞生物學(xué)等領(lǐng)域的顯微結(jié)構(gòu)研究。
03-20
掃描透射電鏡用電子束在樣品的表面掃描，通過電子穿透樣品成像。掃描透射電鏡技術(shù)要求較高，要非常高的真空度，并且電子學(xué)系統(tǒng)比透射電鏡和掃描電鏡都要復(fù)雜。
03-20
