冷凍電子顯微術(shù)是在20世紀(jì)70年代提出的。早在上世紀(jì)70年代，科學(xué)家們就利用冷凍電子顯微鏡研究病毒分子的結(jié)構(gòu)，首次提出了冷凍電子顯微鏡的原理、方法流程的概念。

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光學(xué)顯微鏡用可見光作為探針來(lái)觀察微觀物體。例如，光學(xué)顯微鏡可以觀察細(xì)胞。然而，對(duì)于細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)分子，光鏡下是看不到的。此時(shí)，需要冷凍電子顯微鏡。

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冷凍電鏡的發(fā)展

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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。

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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)。

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冷凍電鏡的原理

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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。

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在透射電鏡成像中，電子槍產(chǎn)生的電子在高壓電場(chǎng)中被加速到亞光速，并在高真空的顯微鏡內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。

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根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的電子在磁場(chǎng)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。

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之后在記錄介質(zhì)上形成樣品放大幾千倍至幾十萬(wàn)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)。

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透射電鏡成像過程中，電子束穿透樣品，將樣品的三維電勢(shì)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。

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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(lái)解析獲得物體的三維結(jié)構(gòu)。

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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)。

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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。

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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。

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