冷冻电镜的原理

冷冻电子显微术是在20世纪70年代提出的。早在上世纪70年代，科学家们就利用冷冻电子显微镜研究病毒分子的结构，首次提出了冷冻电子显微镜的原理、方法流程的概念。

光学显微镜用可见光作为探针来观察微观物体。例如，光学显微镜可以观察细胞。然而，对于细胞内的蛋白质分子，光镜下是看不到的。此时，需要冷冻电子显微镜。

冷冻电镜的发展

从上世纪70年代兴起至今，冷冻电子显微技术(cryo-EM)已经跨越了40多年的发展历史，经历了冷冻制样、单颗粒图像分析和三维重构算法等关键性技术的突破。

通俗而言，冷冻电镜就是在传统透射电子显微镜之上，加上了低温传输系统和冷冻防污染系统。

冷冻电镜的原理

冷冻电子显微学解析生物大分子及细胞结构的核心是透射电镜成像，其基本过程包括样品制备、透射电镜成像、图像处理及结构解析等几个基本步骤。

在透射电镜成像中，电子枪产生的电子在高压电场中被加速到亚光速，并在高真空的显微镜内部运动。

根据高速运动的电子在磁场中发生偏转的原理，透射电镜中的一系列电磁透镜对电子进行汇聚，并对穿透样品过程中与样品发生相互作用的电子进行聚焦成像以及放大。

之后在记录介质上形成样品放大几千倍至几十万倍的图像，利用计算机对这些放大的图像进行处理分析即可获得样品的精细结构。

透射电镜成像过程中，电子束穿透样品，将样品的三维电势密度分布函数沿着电子束的传播方向投影至与传播方向垂直的二维平面上。

1968年，AronKlug发现中心截面定理，提出可以通过三维物体不同角度的二维投影在计算机内进行三维重构来解析获得物体的三维结构。

根据这一原理，利用透射电镜获得生物样品多个角度的放大电子显微图像，即有可能在计算机里重构出它的三维空间结构。

在冷冻电子显微学结构解析的具体实践中，依据不同生物样品的性质及特点，可以采取不同的显微镜成像及三维重构方法。

目前主要使用的几种冷冻电子显微学结构解析方法包括：电子晶体学、单颗粒重构技术、电子断层扫描重构技术等，它们分别针对不同的生物大分子复合体及亚细胞结构进行解析。

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