冷冻电镜的发展与技术原理

　　冷冻电镜技术是20世纪70年代提出的。早在20世纪70年代，科学家就利用冷冻电镜研究病毒分子的结构，并首次提出了冷冻电镜技术的原理、方法和过程的概念。

　　冷冻电镜的发展

　　冷冻电镜到底是什么？冷冻电镜自上世纪70年代出现至今已有40多年的历史，在冷冻样品制备、单粒子图像分析、三维重建算法等关键技术上取得了突破。一般来说，冷冻电镜是传统的透射电子显微镜，加上低温透射系统和低温污染预防系统。

　　低温电子显微术主要包括单粒子低温电子显微术和低温电子层析术。单粒子冷冻电镜捕捉随机分布生物样本的大量二维图像，然后通过图像处理算法分析其三维结构。

冷冻电镜

　　近年来，随着冷冻电镜设备和计算机软硬件的快速发展，特别是直接电子探测器在冷冻电镜中的应用，单粒子冷冻电镜技术已经发展到原子分辨率的水平，在生物学、医学和新药研发方面发挥着越来越重要的作用。

　　冷冻电镜记录了单个生物样品倾斜旋转过程中投影的一系列二维图像，并利用特殊算法将二维图像重构为三维故障图像。Cryo-electron microscopy(简称Cryo-electron microscopy)主要研究组织、细胞和微生物的超微结构。冷冻电镜(Cryo-electron microscopy，简称Cryo-electron microscopy)可以提供大分子复合物在纳米、亚纳米甚至接近原子尺度上的结构信息，以及它们与其他大分子在生理环境中的相互作用。

　　冷冻电镜的原理

　　透射电子显微镜是分析生物大分子和细胞结构的冷冻电镜的核心。基本过程包括样品制备、透射电镜、图像处理和结构分析。在tem成像中，电子在电子枪引起的高压电场中被加速到光速并在高真空显微镜中内部运动，根据电子在磁场偏转原理中的运动，透射电子显微镜(sem)的一系列电磁透镜会聚,电子和穿透样品与样品相互作用的过程中电子聚焦成像和放大器,其后,样品被成千成千上万倍放大记录媒体,通过计算机对放大后的图像进行处理和分析，可以得到样品的精细结构。

　　在透射电镜下，电子束穿透样品，将样品的三维势密度分布函数沿电子束的传播方向投射到垂直于传播方向的二维平面上。1968年，AronKlug发现了ZX截面定理，提出通过不同角度的二维投影，在计算机上进行三维重建，可以解析地得到三维物体的三维结构。根据这一原理，利用透射电子显微镜(TEM)从多个角度获得放大后的电子显微图像，可以重建生物样品的三维空间结构。

　　根据不同生物样品的性质和特点，可以采用不同的显微镜成像和三维重建方法对冷冻电镜进行结构分析。目前主要采用几种冷冻电镜结构分析方法，包括电子晶体学、单粒子重建技术、电子层析重建技术等，分别用于分析不同的生物分子复合物和亚细胞结构。