冷冻电镜
通过急速冷冻观察富含液体样品的电子显微镜
条目
冷冻电镜（Cryogenic-electron microscopy，Cryo-EM）是用于扫描电镜的超低温冷冻制样及传输技术。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、高分子材料等。[5][6][7]
1931年，德国物理学家马克斯·诺尔（Max Knoll）和他的学生恩斯特·鲁斯卡（Ernst Ruska）发明了第一台透射电子显微镜，并于1933年首次突破了光学显微镜的极限。[8][9]1974年，加州大学伯克利分校的Robert Glaeser和他学生Ken Taylor 首次提出冷冻电镜。[4]1982年，雅克•迪波什开发出真正成熟可用的快速投入冷冻制样技术制作不形成冰晶体的玻璃态冰包埋样品。1984年，雅克•迪波什首次发布不同病毒的结构图像。1990年，理查德•亨德森成功利用电子显微镜在原子分辨率上生成了蛋白质的三维图像。[4][10]2013年之后，冷冻电镜分辨率提高到接近原子水平。[8]2016年报道了冷冻电镜得到的谷氨酸脱氢酶的3D结构（334 kDa），分辨率甚至达到1.8Å。[8]清华大学隋森芳教授的光和反应实验中，有一个捕获光能的蛋白质复合体的重要结构被解析出来。2018年，中国科学技术大学教授毕国强、刘北明与美国加州大学洛杉矶分校教授周正洪组成课题组，利用冷冻电镜技术对完整突触进行了系统性定量分析。美国神经科学学会会刊《神经科学》以封面形式对此进行了报道。[11]2019年，中国科学家利用冷冻电镜技术解析到世界上分辨率最高的猪瘟病毒结构。[12]
冷冻电镜的基本原理是将样品经过超低温冷冻、断裂、镀膜制样（喷金/喷碳）等处理后，通过冷冻传输系统放入电镜内的冷台（温度可至-185℃）即可进行观察。其中，快速冷冻技术可使水在低温状态下呈玻璃态，减少冰晶的产生，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。[5]对冷冻并固定在玻璃冰中的生物大分子进行成像，从而获得蛋白质分子在各个方向上的投影。然后使用计算机处理和计算大量的2D（二维）图像，并重建生物大分子的3D（三维）结构。[8][3][13][14]
冷冻电镜技术在生物学、材料科学等多个领域已经成为重要的研究工具。它通过超低温冷冻和低剂量成像技术，有效地克服了传统电子显微镜在观察生物大分子和其他辐射敏感材料时的局限性。[3]2015年，《自然》旗下子刊Nature Methods将冷冻电镜技术评为年度最受关注的技术。2017年度的诺贝尔化学奖授予雅克·迪波什（Jacques Dubochet）、约阿基姆·弗兰克（Joachim Frank）和理查德·亨德森（Richard Henderson），表彰他们在开发用于溶液中生物分子高分辨率结构测定的冷冻电镜技术。[4]