诺贝尔奖与生命科学_ 放大世界的秘密_ 透射电子显微镜与超微结构观察_

超薄切片技术
电镜观察的 优点 和 缺点
高分辨率 死细胞
电镜三维重建技术
• 1968年，英国剑桥MRC分子生物学实验室的Aaron Klug博士等 提出利用电子显微镜照片重构噬菌体三维结构。
电镜三维重建技术
蛋白质结构的解析
• 过去的相当长一段时间，蛋白质结构的解析主要依靠X-射线晶体学和核磁共 振。在已解析的一千多种膜蛋白结构当中，90%以上都采用的是X射线晶体 学方法。
西门子的Reinhold Rüdenberg
1931.4, Ruska在Knoll指导下制备出电镜，准备于1931.6.4做一 次演讲；
1931.5, Rüdenberg的助手 Steenbeck去Knoll实验室参观,了解 到Ruska 的实验结果,并且看到了Knoll 的学术报告手稿。
Rüdenberg，听了助手的汇报后，凭借理论推测，于1931.5.28 向德、法、美等国的专利局提出用磁透镜或静电透镜制造电 子显微镜的专利申请！
透射电子显微镜成像的基本原理
以高压加速后的电子束（或称电子射线、电子波）为“光源”； 以轴对称的磁场为“透镜”； 电子对不同部位的样品的穿透能力不同，因此最后穿透样品的电
子经透镜的放大和汇聚作用下在荧光屏上成明暗反差的像。
光学显微镜和透射电子显微镜的结构
透射电子显微镜
为什么需要真空系统？
1931年，Ruska和Knoll制造出透射电子显微镜 1986年， Ruska荣获了的诺贝尔物理奖 。
冰冻蚀刻 freeze-etching
亦称冰冻断裂。标本置于干冰或液氮中冰冻。然后断开，升温 后，冰升华，暴露出了断面结构。向断裂面上喷涂一层蒸汽碳和 铂，然后将组织溶掉，把碳和铂的膜剥下来，此膜即为复膜。
Figure 3-27. Freeze-etch electron microscopy.The specimen is rapidly frozen, and the block of ice is fractured with a knife (A). The ice level is then lowered by sublimation in a vacuum, exposing structures in the cell that were near the fracture plane (B). Following these steps, a replica of the still frozen surface is prepared, and this is examined in a transmission electron microscope.
轴对称磁场可使电子束会聚，并且这种电子光
学系统同样服从于几何光学定律，例如轴对称 磁场对通过它的电子会聚作用与玻璃透镜对光 束的会聚作用类似。
1926年 Busch
如何提高显微镜 分辨率？
德国工程师 Ruska和Knoll制造出了世界上第一台
透射电子显微镜 。
Ruska在Knoll指导下制造的双磁透镜系统
A Yeast Cell 酵母细胞
Figure 3-26. Freeze-fracture electron micrograph of the thylakoid membranes from the chloroplast of a plant cell. These membranes, which carry out photosynthesis, are stacked up in multiple layers. The largest particles seen in the membrane are the complete photosystem II-a complex of multiple proteins.
1953，1954年西德专利局批准RüdeBaidu Nhomakorabeaberg提出的两个电镜专利申请。 1960 年10月17日，Knoll写了一封信给Steenbeck，就他曾在Rüdenberg 申请专利
前去他的实验室参观一事提出了自己的质疑。 1960 年11月8日，Steenbeck 复信承认他在参观后向Rüdenberg 做了汇报,并说
体感强，可用来观察生物样品 的各种表面微形态特征。
常规电镜制样技术
负染色技术 冰冻蚀刻技术 超薄切片技术 电镜三维重构技术
负染技术
用重金属盐(如磷钨酸)对铺展在载网上的样品染色；吸去染料， 干燥后，样品凹陷处铺了一层重金属盐，而凸的出地方没有 染料沉积，从而出现负染效果，分辨力可达1.5nm左右。
“Rüdenberg的申请肯定是我访问你的结果,也肯定是从我的见闻中得到的启迪”。
来自通用电气的竞争
1932年， Brüche制造了一台静电式透镜。 1936年，Boersch提出电子透镜成像和电子衍
射的关系，并首次演示了电子衍射。 1940年， Boersch发现了菲涅耳衍射条纹（正
焦，欠焦过焦有不同的衬度），并给出了正确 的解释。
人类探索未知世界的欲望是无穷的 人眼看清楚事物的能力是有限的
为了看的更清楚，显微镜应运而生
根据Abbe的极限衍射理论，光学显微镜的分辨极限约为200nm
两条重要的物理学原理
高速运动的电子不仅具有粒子性，而且还具有
波动性，这种波动有其共同的特征——波长、 频率、振幅、相位等，服从波动的规律。
1924年 de Brogli 1929年获诺贝尔物理学奖
扫描电子显微镜 Scanning electron microscope
1952年，英国工程师Charles Oatley制造出了第一台扫描电 子显微镜。
扫描电子显微镜的结构原理
工作原理： 利用电子射线轰击样品表
面，引起二次电子等信号的发 射，经检测装置接收后成像的 一类电镜。
主要优点： 景深长，所获得的图像立
迟到的诺奖
1941年，德国的普鲁士科学院（相当于中科院），给Brüche、 Boersch 和Ruska、Knoll等都颁发了莱布尼兹银质奖章。
经过二战的洗礼，在多个有争议权人中，只有年将80的Ruska 活了下来，于1986年12月10日，获得诺贝尔物理学奖。
1988年， Ruska 逝世。