生物电子显微镜三维成像技术

　　在大多数传统电子显微镜用户的印象中，电子显微镜只收集二维图像。事实上，随着电子显微技术的发展，越来越多的电子显微镜技术手段可以帮助我们获得细胞、细胞和生物大分子的三维空间信息，这是生命活动的基础。本文将简要介绍几种电子显微镜三维成像技术，帮助生命科学电子显微镜客户了解哪些技术可以提高他们的科学研究。后续我们将准备一系列文章，详细介绍每种技术及其应用。

　　单颗冷冻电镜三维重构技术(Single-ParticleAnalysis,SPA)

　　单颗粒技术通过冷冻透射镜获得颗粒生物大分子样品的二维投影图像。这些二维投影可以通过图像处理和三维重构获得高分辨率的三维结构，如定位、中心确定和信号叠加。单颗粒技术的主要研究对象包括大分子复合物、膜蛋白、病毒等难以结晶的生物大分子。样品大小包括几纳米到几百纳米，可获得近原子分辨率(~3A)、即使是精细结构的原子分辨率。

　　电子断层成像技术(ElectronTomography,ET)

　　电子断层成像技术通过透射镜转动样品杆，从不同角度获得厚度为100~300nm的半薄切片或冷冻样品图像，然后通过计算机处理获得3D图像。电子断层成像技术的研究规模非常广泛，适用于研究亚细胞水平的细胞器的常规半薄切片电子断层成像;冷冻电子断层成像技术与冷冻电子镜技术相结合(cryo-electrontomography,Cryo-ET)，可以深入研究分子水平的蛋白质结构，也可以观察细菌、病毒等微生物、线粒体等有膜细胞器、相分离形成的无膜细胞器、脂质体、外泌体等。结合系列切片电子断层成像技术，连续超/半切片。(serialsectionelectrontomography,ssET)，能研究细胞、细胞与细胞之间的关系等大规模生物结构。

　　连续切片透射电镜技术(serialsectionTransmissionelectronmicroscope,ssTEM)

　　持续切片透射电镜技术利用超薄切片机持续切割样品，获得连续的超薄切片或半薄切片，将切片排列在电镜载网上，用透射电镜拍摄每个切片上相应感兴趣的区域。收集的序列图像通过计算机处理重构为3D图像。

　　连续超薄切片扫描电镜成像技术(serialsectionScanningelectronmicroscopy,ssSEM)

　　连续超薄切片扫描电镜成像技术使用连续切片机连续超薄切片嵌入树脂的生物样品，并用收集带收集，然后将收集带粘贴在硅片上，或者直接用硅片收集连续切片。然后在扫描电镜中收集目标区域的序列图像。收集的序列图像通过计算机处理重构为3D图像。目前，该技术已用于研究各种大脑神经连接或其他大规模纳米分辨率的3D结构，如小鼠大脑皮层、小鼠下丘脑、斑马鱼和整个线虫。

　　聚焦离子束切面扫描电镜成像技术(FocusIonBeamScanningElectronMicroscopy,FIB-SEM)

　　聚焦离子束截面扫描电子显示器成像技术采用聚焦离子束/电子束双束扫描电子显示器。其中，聚焦离子束系统可以在电子显示器内部切割树脂包埋的生物样品，显示目标样品感兴趣的区域。通过使用电子束显示样品感兴趣的区域，可以获得该位置样品的图像信息。显示后，离子束继续根据预设深度切割样品，显示下一个感兴趣的区域并进行绘图。通过重复这个过程，可以获得一系列与切割深度相关的图像。这些图像包含了样品在整个切割体积中的信息，收集的序列图像通过三维计算。FIB-亚细胞尺度的研究主要用于SEM。

　　表面扫描系列电镜三维成像技术(SerialBlock-FaceScanningElectronMicroscopy,SBF-SEM)

　　埋在树脂中的生物样品整个埋块装入内置特殊切片机的扫描电镜中。切片机在电子显微镜内部切割埋块，直到样品感兴趣的区域暴露出来。电子束显示样品，获取该层样品的信息。然后，切片机继续根据预设的深度进行切割，露出下一个样品并显示出来。通过重复这个过程，可以获得不同深度的一系列样品。收集的序列图像通过计算机处理重构为3D图像。