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生物物理学实验技术的使用教程生物物理学是一门研究生命现象和生命系统的科学，旨在理解生命的本质和原理。
为了探索生命现象并从中获得有价值的信息，研究者常常需要运用各种实验技术。
本文将介绍几种常见的生物物理学实验技术及其使用方法。
一、冷冻电镜技术冷冻电镜技术是一种观察生物样品超高分辨率结构的有效方法。
它通过冷冻快速冻结样品，制作薄冰切片并在电子显微镜下进行观察。
首先，将样品悬浮在稳定的冷冻介质中，如液氮。
然后，使用特殊的冷冻装置迅速冷冻样品到液氮温度并固定。
接下来，使用超薄切片技术将样品制作成薄片，通常在液氮中进行。
最后，将样品载入电子显微镜，使用高分辨率图像记录样品结构。
二、质谱分析技术质谱分析技术是一种测定分子化学组成和结构的方法。
质谱仪通过将样品中的分子转化为离子，并将这些离子按质荷比分离和检测。
首先，将样品引入质谱仪中，常用的引入方式包括气相进样和液相进样。
然后，利用质谱仪中的离子源将样品中的分子离子化，如电离源和高能激光。
接下来，离子经过质量分析器的作用，根据离子质荷比分离，并被记录下来。
最后，通过分析质谱图谱中的离子峰来确定样品的成分和结构。
三、原位荧光显微镜技术原位荧光显微镜技术通过使用荧光标记的分子探针来观察生物样品。
首先，选择合适的荧光分子探针，如荧光染料或荧光蛋白，对感兴趣的分子或结构进行标记。
然后，将样品放置在显微镜台上，并使用适当的激光或光源激发标记分子的荧光。
接下来，通过显微镜观察样品，并使用适当的滤光片或光路来捕捉和记录荧光信号。
最后，通过对荧光图像进行分析和处理来获取关于样品的信息。
四、结构生物学技术结构生物学是研究生物分子三维结构的方法。
其中，X射线晶体学和核磁共振成像（NMR）是两种常用的技术。
在X射线晶体学中，首先获得生物分子的晶体，并使用X射线对晶体进行衍射。
然后，通过收集和分析衍射图像，确定晶体的原子分布和结构。
在NMR中，利用核磁共振技术观察生物分子中的原子核在磁场中产生的共振信号。
冷冻电镜技术或冷冻电子显微学(Cryo-electron microscopy) (Cryo electron microscopy)梁毅(武汉大学生命科学学院)生物分子的结构分析现代生物学仪器分析中的“四大谱”和“三大法”●传统上最有效的方法是“四大谱”：●紫外-可见光谱、红外光谱、核磁共振波谱和质谱生物大分子（蛋白质和核酸等）结构测定●的最重要和应用最广泛的三大方法：●X 射线晶体衍射分析、核磁共振波谱分析和冷冻电镜什么是电镜？电子显微镜，简称电镜，是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器●电镜用于生物样品的结构研究是众所周高分辨率的电镜可以达到0.l 知的，目前0l 乃至水平，这是指在特定条件下nm3Å可分辨的两点的距离。
●虽然这已接近原子分辨水平，但由于种种原因要看到构成生物大分子的碳、氢、氧原子的三维排布仍是很困难的。
●首先，构成生物物质的碳、氢、氧、氮等元素对电子的散射能力较弱；●其次高速电子的轰击会对生物样品造成辐射损伤，后者在生物样品的高分辨率结构分析中是最严重的问题。
●损伤机制包括非弹性散射引起的化学键断裂，也包括电子轰击引起离子、自由基和分子碎片扩散，从而造成生物样品的质量损失。
●因此利用电子显微镜对生物大分子进行研究必须首先把观察对象制备成特殊的样品。
●电镜的样品制备方法有许多种，在有关生物大分子结构研究中，负染、葡萄糖包埋以及冰冻含水（正染）等方法是常用的。
电镜载网●电镜观察的样品需要在特制的金属载网上才能送入电镜镜筒中进行观察。
载网的直径通常为4mm，可以用铜、银、铂、镍等金属或铜镍、银镍合金等制成。
最常用的载网为铜制的，所以电镜载网一般又称作电镜铜网。
铜网网孔的形状多样，有圆形的、方形的、单孔形和狭缝形；网●孔的数目有50目、100目、200目、300目和400目等多种规格。
网孔越大，观察的有效面积越大，但同时对样品的支持稳定性也越差。
冷冻电子显微镜技术冷冻电子显微镜技术在20世纪70年代时提出，经过近10年的努力，在80年代趋于成熟，近年来已经进入了快速发展的时期。
它的研究对象非常广泛，包括病毒、蛋白、肌丝、蛋白质核苷酸复合体、亚细胞器等。
一方面，冷冻电微镜技术所研究的生物样品既可以是具有二维晶体结构的，也可以是非晶体的；而且对于样品的分子量没有限制。
因此，大大突破了X-射线晶体学只能研究三维晶体样品和核磁共振波谱学只能研究小分子量（小于100KD）样品的限制。
另一方面，生物样品是通过快速冷冻的方法进行固定的，克了因化服学固定、染色、金属镀膜等过程对样品构象的影响，更加接近样品的生活状态。
冷冻电子显微学解析生物大分子及细胞结构的核心是透射电子显微镜成像,包括样品制备、图像采集、图像处理及三维重构等几个基本步骤。
一、样品制备用于冷冻电镜研究的生物样品必须非常纯净。
生物样品是在高真空的条件下成像的，所以样品的制备既要能够保持本身的结构，又能抗脱水、电子辐射。
现在普遍采用的方法是通过快速冷冻使含水样品中的水处于玻璃态，也就是在亲水的支持膜上将含水样品包埋在一层较样品略高的薄冰内。
冰的结构多种多样，包括六角形冰、立方体冰等，其物理状态与冷冻速率有关。
若要形成玻璃态（即无定形态）的冰，需要冷冻速率达到每秒钟104摄氏度。
此时，冰的结构呈现各向同性，不会因成像角度不同而导致图像产生偏差。
该方法有两个步骤：一是将样品在载网上形成一薄层水膜；二是将第一步获得的含水薄膜样品快速冷冻。
在多数情况下，用手工将载网迅速浸入液氮内可使水冷冻成为玻璃态。
其优点在于将样品保持在接近生活状态，不会因脱水而变形，同时可以减少辐射损伤。
二、图像采集冷冻的样品通过专门的设备——冷冻输送器转移到电镜的样品室。
在照相之前，必须观察样品中的水是否处于玻璃态，如果不是则应重新制备样品。
由于生物样品对高能电子的辐射敏感，照相时必须使用最小曝光技术。
经过透射电子显微镜中一系列复杂的过程，最终在记录介质上会形成样品放大几千倍至几十万倍的图像。
冷冻电镜技术课程学习报告一、课程所讲基础知识回顾1、电子显微镜成像技术的发展历史（1）上世纪50年代的负染技术（分辨率2mm）：该技术的原理为重金属燃料与H结合，特点为对电子散射强，视野暗，衬度大，易观察到生物材料。
但不足之处在于染料颗粒较大，不易进入分子内部。
此外，因样品需要脱水处理，会造成结构失真。
（2）上世纪60年代的三维重构技术三维重构的数学原理为傅里叶变换，其关键性质为：三维函数投影的傅里叶变换等于该三维函数傅里叶变换在垂直于投影方向上的中央截面。
因此，通过对待测立体物质的多角度投影信息采集，可以借助数学的桥梁，重构出该物质的三维结构。
显然，对待测物质投影采集的角度越多，越精确，重构出的三维图像越接近真实。
在60年代，T4噬菌体的结构通过该方法被成功解析。
（3）上世纪70年代的电子晶体学即根据电子衍射的花样确定物质的晶体结构。
被观测的物体通过物镜形成衍射图样，而这些衍射光束的低散射角部分再通过透镜而形成显微像。
该方法相当于对原物体进行两次傅里叶变换，一为将物体转换成衍射谱，二为逆傅里叶变换使衍射谱重构成显微图像。
在70年代，电子晶体学的发展使得第1个膜蛋白结构被成功解析。
（4）上世纪80年代的快速冷冻技术（分辨率达到0.2nm）主要原理为将样品快速冷冻在玻璃态的水中，样品不需脱水，结构与在溶液中相同，呈天然状态。
因此，电镜成像得到的更接近原物质的真实结构，且分辨率高。
2、冷冻电镜技术介绍（1）关于玻璃态冰：冰的结构多种多样，包括六角形冰、立方体冰等，其物理状态与冷冻速率有关。
若要形成玻璃态（即无定形态）的冰，需要冷冻速率达到每秒钟104摄氏度。
此时，冰的结构呈现各向同性，不会因成像角度不同导致图像产生偏差。
（2）操作步骤概要：冷冻包埋——转移至液氮或液氦中——观测，图像采集——三维重构（3）图像采集的质量要求：应保证样品在玻璃态冰中的分布均一，厚度一致切适当，避免污染。
此外，特别应注意的是，该方法对电子剂量很敏感，最适为10e/A2，明显超过最适剂量即容易因受到过量电子辐射而破坏物理结构，导致冰迅速汽化，出现气泡，造成图像采集不成功。
冷冻电镜技术课程学习报告一、课程所讲基础知识回顾1、电子显微镜成像技术的发展历史（1）上世纪50年代的负染技术（分辨率2mm）:该技术的原理为重金属燃料与H结合，特点为对电子散射强，视野暗，衬度大，易观察到生物材料。
但不足之处在于染料颗粒较大，不易进入分子内部。
此外，因样品需要脱水处理，会造成结构失真。
（2）上世纪60年代的三维重构技术三维重构的数学原理为傅里叶变换，其关键性质为：三维函数投影的傅里叶变换等于该三维函数傅里叶变换在垂直于投影方向上的中央截面。
因此，通过对待测立体物质的多角度投影信息采集，可以借助数学的桥梁，重构出该物质的三维结构。
显然，对待测物质投影采集的角度越多，越精确，重构出的三维图像越接近真实。
在60年代，T4噬菌体的结构通过该方法被成功解析。
（3）上世纪70年代的电子晶体学即根据电子衍射的花样确定物质的晶体结构。
被观测的物体通过物镜形成衍射图样，而这些衍射光束的低散射角部分再通过透镜而形成显微像。
该方法相当于对原物体进行两次傅里叶变换，一为将物体转换成衍射谱，二为逆傅里叶变换使衍射谱重构成显微图像。
在70年代，电子晶体学的发展使得第1个膜蛋白结构被成功解析。
（4）上世纪80年代的快速冷冻技术（分辨率达到0.2nm）主要原理为将样品快速冷冻在玻璃态的水中，样品不需脱水，结构与在溶液中相同，呈天然状态。
因此，电镜成像得到的更接近原物质的真实结构，且分辨率高。
2、冷冻电镜技术介绍（1）关于玻璃态冰：冰的结构多种多样，包括六角形冰、立方体冰等，其物理状态与冷冻速率有关。
若要形成玻璃态（即无定形态）的冰，需要冷冻速率达到每秒钟104摄氏度。
此时，冰的结构呈现各向同性，不会因成像角度不同导致图像产生偏差。
（2）操作步骤概要：冷冻包埋——转移至液氮或液氯中——观测，图像采集——三维重构（3）图像采集的质量要求：应保证样品在玻璃态冰中的分布均一，厚度一致切适当，避免污染。
此外，特别应注意的是，该方法对电子剂量很敏感，最适为10e/A2,明显超过最适剂量即容易因受到过量电子辐射而破坏物理结构，导致冰迅速汽化，出现气泡，造成图像采集不成功。
冷冻电镜技术课程学习报告一、课程所讲基础知识回顾1、电子显微镜成像技术的发展历史（1）上世纪50年代的负染技术（分辨率2mm）：该技术的原理为重金属燃料与H结合，特点为对电子散射强，视野暗，衬度大，易观察到生物材料。
但不足之处在于染料颗粒较大，不易进入分子内部。
此外，因样品需要脱水处理，会造成结构失真。
（2）上世纪60年代的三维重构技术三维重构的数学原理为傅里叶变换，其关键性质为：三维函数投影的傅里叶变换等于该三维函数傅里叶变换在垂直于投影方向上的中央截面。
因此，通过对待测立体物质的多角度投影信息采集，可以借助数学的桥梁，重构出该物质的三维结构。
显然，对待测物质投影采集的角度越多，越精确，重构出的三维图像越接近真实。
在60年代，T4噬菌体的结构通过该方法被成功解析。
（3）上世纪70年代的电子晶体学即根据电子衍射的花样确定物质的晶体结构。
被观测的物体通过物镜形成衍射图样，而这些衍射光束的低散射角部分再通过透镜而形成显微像。
该方法相当于对原物体进行两次傅里叶变换，一为将物体转换成衍射谱，二为逆傅里叶变换使衍射谱重构成显微图像。
在70年代，电子晶体学的发展使得第1个膜蛋白结构被成功解析。
（4）上世纪80年代的快速冷冻技术（分辨率达到0.2nm）主要原理为将样品快速冷冻在玻璃态的水中，样品不需脱水，结构与在溶液中相同，呈天然状态。
因此，电镜成像得到的更接近原物质的真实结构，且分辨率高。
2、冷冻电镜技术介绍（1）关于玻璃态冰：冰的结构多种多样，包括六角形冰、立方体冰等，其物理状态与冷冻速率有关。
若要形成玻璃态（即无定形态）的冰，需要冷冻速率达到每秒钟104摄氏度。
此时，冰的结构呈现各向同性，不会因成像角度不同导致图像产生偏差。
（2）操作步骤概要：冷冻包埋——转移至液氮或液氦中——观测，图像采集——三维重构（3）图像采集的质量要求：应保证样品在玻璃态冰中的分布均一，厚度一致切适当，避免污染。
此外，特别应注意的是，该方法对电子剂量很敏感，最适为10e/A2，明显超过最适剂量即容易因受到过量电子辐射而破坏物理结构，导致冰迅速汽化，出现气泡，造成图像采集不成功。
