在大多數(shù)傳統(tǒng)電子顯微鏡用戶的印象中,電子顯微鏡只收集二維圖像。事實上,隨著電子顯微技術(shù)的發(fā)展,越來越多的電子顯微鏡技術(shù)手段可以幫助我們獲得細胞、細胞和生物大分子的三維空間信息,這是生命活動的基礎(chǔ)。本文將簡要介紹幾種電子顯微鏡三維成像技術(shù),幫助生命科學(xué)電子顯微鏡客戶了解哪些技術(shù)可以提高他們的科學(xué)研究。后續(xù)我們將準備一系列文章,詳細介紹每種技術(shù)及其應(yīng)用。
單顆冷凍電鏡三維重構(gòu)技術(shù)(Single-ParticleAnalysis,SPA)
單顆粒技術(shù)通過冷凍透射鏡獲得顆粒生物大分子樣品的二維投影圖像。這些二維投影可以通過圖像處理和三維重構(gòu)獲得高分辨率的三維結(jié)構(gòu),如定位、中心確定和信號疊加。單顆粒技術(shù)的主要研究對象包括大分子復(fù)合物、膜蛋白、病毒等難以結(jié)晶的生物大分子。樣品大小包括幾納米到幾百納米,可獲得近原子分辨率(~3A)、即使是精細結(jié)構(gòu)的原子分辨率。
電子斷層成像技術(shù)(ElectronTomography,ET)
電子斷層成像技術(shù)通過透射鏡轉(zhuǎn)動樣品桿,從不同角度獲得厚度為100~300nm的半薄切片或冷凍樣品圖像,然后通過計算機處理獲得3D圖像。電子斷層成像技術(shù)的研究規(guī)模非常廣泛,適用于研究亞細胞水平的細胞器的常規(guī)半薄切片電子斷層成像;冷凍電子斷層成像技術(shù)與冷凍電子鏡技術(shù)相結(jié)合(cryo-electrontomography,Cryo-ET),可以深入研究分子水平的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),也可以觀察細菌、病毒等微生物、線粒體等有膜細胞器、相分離形成的無膜細胞器、脂質(zhì)體、外泌體等。結(jié)合系列切片電子斷層成像技術(shù),連續(xù)超/半切片。(serialsectionelectrontomography,ssET),能研究細胞、細胞與細胞之間的關(guān)系等大規(guī)模生物結(jié)構(gòu)。
連續(xù)切片透射電鏡技術(shù)(serialsectionTransmissionelectronmicroscope,ssTEM)
持續(xù)切片透射電鏡技術(shù)利用超薄切片機持續(xù)切割樣品,獲得連續(xù)的超薄切片或半薄切片,將切片排列在電鏡載網(wǎng)上,用透射電鏡拍攝每個切片上相應(yīng)感興趣的區(qū)域。收集的序列圖像通過計算機處理重構(gòu)為3D圖像。
連續(xù)超薄切片掃描電鏡成像技術(shù)(serialsectionScanningelectronmicroscopy,ssSEM)
連續(xù)超薄切片掃描電鏡成像技術(shù)使用連續(xù)切片機連續(xù)超薄切片嵌入樹脂的生物樣品,并用收集帶收集,然后將收集帶粘貼在硅片上,或者直接用硅片收集連續(xù)切片。然后在掃描電鏡中收集目標區(qū)域的序列圖像。收集的序列圖像通過計算機處理重構(gòu)為3D圖像。目前,該技術(shù)已用于研究各種大腦神經(jīng)連接或其他大規(guī)模納米分辨率的3D結(jié)構(gòu),如小鼠大腦皮層、小鼠下丘腦、斑馬魚和整個線蟲。
聚焦離子束切面掃描電鏡成像技術(shù)(FocusIonBeamScanningElectronMicroscopy,FIB-SEM)
聚焦離子束截面掃描電子顯示器成像技術(shù)采用聚焦離子束/電子束雙束掃描電子顯示器。其中,聚焦離子束系統(tǒng)可以在電子顯示器內(nèi)部切割樹脂包埋的生物樣品,顯示目標樣品感興趣的區(qū)域。通過使用電子束顯示樣品感興趣的區(qū)域,可以獲得該位置樣品的圖像信息。顯示后,離子束繼續(xù)根據(jù)預(yù)設(shè)深度切割樣品,顯示下一個感興趣的區(qū)域并進行繪圖。通過重復(fù)這個過程,可以獲得一系列與切割深度相關(guān)的圖像。這些圖像包含了樣品在整個切割體積中的信息,收集的序列圖像通過三維計算。FIB-亞細胞尺度的研究主要用于SEM。
表面掃描系列電鏡三維成像技術(shù)(SerialBlock-FaceScanningElectronMicroscopy,SBF-SEM)
埋在樹脂中的生物樣品整個埋塊裝入內(nèi)置特殊切片機的掃描電鏡中。切片機在電子顯微鏡內(nèi)部切割埋塊,直到樣品感興趣的區(qū)域暴露出來。電子束顯示樣品,獲取該層樣品的信息。然后,切片機繼續(xù)根據(jù)預(yù)設(shè)的深度進行切割,露出下一個樣品并顯示出來。通過重復(fù)這個過程,可以獲得不同深度的一系列樣品。收集的序列圖像通過計算機處理重構(gòu)為3D圖像。