电镜算法

① 冷冻电镜是什么为什么能够斩获今年诺贝尔化学奖

在低温下使用透蚂明哗射电子显微镜观察样品的显微技术，就叫做冷冻电子显微镜技术，简称冷冻电镜（cryo-electron micros， cryo-EM）。
冷冻电镜是重要的结构生物学研究方法，它与另外两种技术：X射线晶体学（X-ray crystallography）和核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）一起构成了闷行高分辨率结构生物学研究的基础，在获得生物大分子的结构并揭示其功能方面极为重要。
冷冻电镜并不是这两年才建立的。在蛋白质X射线晶体学诞生大约10多年以后的1968年， 作为里程碑式的电镜三维重构方法，同样在剑桥MRC分子生物学实验室诞生，Aron Klug教授因此获得了1982年的诺贝尔化学奖。另一些突破性的技术在上世纪70年代和80年代中叶诞生，主要是冷冻成像和蛋白快速冷冻技术。
快速冷冻可以使蛋白质和所在的水溶液环境迅速从溶液态转变为玻璃态，玻璃态能使蛋白质结构保持其天然结构状态，如果以缓慢温和的方式冷冻，这个过程会形成晶体冰，生物分子的结构将被晶格力彻底损坏。

低剂量冷冻成像能够保存样品的高分辨率结构信息，确保了从电镜图形中解析蛋白质结构的可能槐搜性。与此同时，2017诺贝尔化学奖得主Joachim Frank等，则在电镜图像处理算法方面奠定和发展了这项技术的理论基础。由此冷冻电镜的雏形基本建立，总的思路为：样品冷冻（保持蛋白溶液态结构）——冷冻成像（获取二维投影图像）——三维重构（从二维图像通过计算得到三维密度图）。

根据诺贝尔奖评委会的说法，这项技术使生物分子成像变得更加简单，将生物化学带入了一个新纪元。

② 扫描电镜的原理

扫描电镜原理：所谓扫描是指在图象上从左到右、从上到下依次对图象象元扫掠的工作过程。
在电子扫描中,把电子束从左到右方向的扫扒蠢描运动叫做行扫描或称作水平扫描,把电子束从上到下方向的扫描运动叫做帧扫描或称作垂直扫描。
两者的扫描速度完全不同,行扫描的速度比帧扫描的速度快,对于1000条线的扫描图象来说,速度比为1000。
扫描电子显微镜桐渗是一种大型分局此脊析仪器,它广泛应用于观察各种固态物质的表面超微结构的形态和组成。

③ 冷冻电镜是如何观测到原子级别的生命结构的

冰是一种大家再熟悉不过的物质了。在一个大气压下，当水的温度低于零度时，便会变成固态的冰。水分子在彼此之间的极性相互作用力(范德瓦尔斯力)之下，形成规则的排列形式，变成晶体状态。这是我们生活中常见的冰的存在方式。冰晶的内部通常是极为纯净的，只有水分子存在，任何其他杂质都会在结晶的过程中被挤出晶体之外。当有较多其他杂质存在的情况下，通常会形成多晶伏亮。水结冰后体积还会发生膨胀，造成晶体之间相互挤压。生物体内的水如果结冰，冰的膨胀效应和相互挤压会对细胞或组织的结构造成破坏。如果要将生物体冷冻起来，就必须避免冰晶的形成。这也是难以通过冷冻的方法来长期保存生命体的主要原因。

在玻璃态冰能够被成功制备出来之前，人们都是采用负染色技术来固定生物结构并对其观察的。负染技术使用重金属盐作为染色剂，比如甲酸铀或者醋酸双氧铀。首先让重金属盐覆盖并渗透到生物大分子中去，然后把样品晾干脱水，蛋白质在这个干燥的过程中可能已经分解或者破坏掉了，但干燥后的盐保持了生物大分子在干燥前的外部轮廓。这个过程有点像铸造时制作沙模的过程，重金属盐就是沙子。当用电镜观察时，人们看到的生物大分子的图像其实是蛋白降解后留下的空洞，因此衬度是反转的，所以称为负染(图2)。负染的优势是操作简单，图像衬度高。缺点是无法获得高分辨率，因为观察到的仅是重金属盐而已经不是蛋白本身了。相应地，负染分辨率的上限只能达到十几埃左右。最早猛厅庆的生物样品的高分辨率结构都是通过负染技术来观察的，比如20世纪50年代人们就借助负染技术看到了与老年痴呆相关的脑神经细胞中出现的淀粉样沉淀，以及多种植物病毒的影像。虽然负染的分辨率远达不到原子水平，但是其相对于光学显微镜来说分辨率已经很高了。所以，这一技术目前依然有着很广泛的应用，用于对样品质量的快速检测和样品结构的初步分析，是最主要的日常电镜生物结构分析手段之一。随着高压冷冻和冷冻替代技术的发展，负染色技术也是目前观察细胞或者组织样品的重要手段。

④ 冷冻电镜是什么为什么能够斩获今年诺贝尔化学奖

冷冻电镜，是用于扫描电镜的超低温冷冻制样及传输技术(Cryo-SEM)，可实现直接观察液体、半液体及对电子束敏感的样品，如生物、高分子材料孙毁笑等。

能够斩获今年诺贝尔化学奖的原因是：

诺奖委员会给出的获奖理由原话是“for developing cryo-electron micros for the high-resolution structure determination of biomolecules in solution”，这句话已经概括了冷冻电镜（通常缩写为Cryo-EM）的意义则含，让科学家们能高效率地以原子级分辨率获得生物分子的三维结构。

其中，快速冷冻技术可使水在低温状态下呈玻璃态，减余知少冰晶的产生，从而不影响样品本身结构，冷冻传输系统保证在低温状态下对样品进行电镜观察。