网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

用激光束提高电子显微镜衬度

0
分享至


中国科学院物理研究所 汪力 编译自Susan Curtis. Physics,June 25,2026

本文选自《物理》2026年第8期


冷冻电子显微镜(通常称为冷冻电镜)已成为阐明复杂生物分子结构的重要工具。但即使是最先进的仪器,也难以对小型蛋白质分子进行清晰成像(这类蛋白质约占人体蛋白质总数的90%)。如今,加州大学伯克利分校的Holger Müller及其同事开发了一种基于激光的方法,用于控制电子束的相位,从而在冷冻电镜图像中获得更高的衬度。在演示实验中,该方法有效提升了小型蛋白质图像的分辨率,为生物学家探索现有技术无法触及的全新蛋白质结构铺平了道路。


激光相位板利用强激光束改变电子束的相位,使得高衬度冷冻电镜成像成为可能

冷冻电镜通过对含有数千乃至数百万个相同分子的冷冻样品进行成像从而重建出三维结构。冷冻处理使样品保持在近乎天然的状态,同时也能减轻电子束对样品的损伤。然而,电子与生物样品的相互作用很弱,这就直接限制了图像的衬度。再加上此类测量场景中较高的噪声水平,过低的图像衬度给可研究分子的大小设定了下限。

提高衬度的一种常用方法是插入所谓的相位板,这是一种将波的相位偏移一个设定量(通常用角度表示)的元件。将相位改变90°的相位板(又称四分之一波片)广泛用于光学显微镜中,以观察几乎透明的样品。光通过样品时虽未被衰减,但其中一部分光经样品衍射后会产生微小的相位变化。相位板用于偏移无衍射参考信号的相位。借助这一附加相位偏移,衍射光束与无衍射光束之间的干涉在两者抵达探测器时产生衬度。

此前的研究曾试图在冷冻电镜中复制这一方案,但事实证明,加装实体相位板会导致信号损失,甚至降低图像分辨率。为克服这一问题,Müller及其团队一直在开发基于激光的相位板,该方案由该团队于2010年首次提出。其思路是利用强激光通过受激康普顿散射与电子束相互作用,这种散射会改变构成电子束的电子波的相位。然而,要实现90°的相移,需要约400 GW/cm2的连续激光强度,此前只有脉冲激光才能达到这一水平。2021年,该团队首次通过将激光束束缚在带有凹面反射镜的光学谐振腔中,实现了这一创纪录的性能。腔内的共振效应将激光功率放大至80 kW,同时将其聚焦到6.7 µm的光斑尺寸。在如此高的强度下,维持腔内的共振条件成为一大挑战。Müller介绍了他们的解决方案,“辐射压力会将反射镜推开,因此我们需要优化多个反馈回路来抵消这种长度变化,使谐振腔精确保持在共振状态。”

早期使用旧款电子显微镜的实验验证了这一激光相位板的概念,但所得图像并未显示分辨率提升。在这次新的工作中,研究人员将激光相位板安装到一台最先进的冷冻电镜上,并使用两种样品测试了其性能。一种是醛缩酶,这是一种存在于肌肉中的蛋白质,其尺寸足够大,可用传统冷冻电镜成像;另一种是血红蛋白,这是一种存在于血液中的蛋白质,其尺寸小到足以测试现有仪器的测量下限。结果表明,激光相位板的引入对两种蛋白质的图像分辨率均有提升,但对较小血红蛋白分子的效果更为显著。在实验中,当激光开启时,血红蛋白结构的分辨率可从4.46 Å提升至3.09 Å。对于两种样品,激光相位板在成像性能上也带来了其他改进,这对一项称为“冷冻电子断层扫描”的新技术尤为重要。这种冷冻电镜断层扫描可用于对细胞内或其他复杂样品中的单个目标对象进行三维成像。

Müller认为,使用激光相位板还可能间接带来分辨率的进一步提升。在传统冷冻电镜中,电子束会被有意散焦以提供部分相位衬度,而激光相位板使这一策略变得不必要,“转向聚焦成像将使我们获得的分辨率额外提升到至少不低于当前工作所展示的改进水平。”

欢迎订阅2026年《物理》杂志

《物理》是由中国科学院物理研究所和中国物理学会主办的权威物理类中文科普期刊,注重学科性与科普性相结合,秉承“轻松阅读,享受物理”的办刊理念,集学科大家之力,追踪物理学成果,服务物理学领域,促进学科交叉,让科学变得通俗易懂。已成为我国众多物理专业的大学生、研究生、物理学家案头常读的刊物之一。

(期刊订阅)

订阅方式:编辑部直接订阅优惠价240元/年,全国包邮。

方式1微信订阅

在“物理所财务处”微信公众号缴费,操作如下:公号下方“业务办理”-“订刊费”-收费部门“《物理》编辑部”,之后填写相应信息。如有问题,可添加编辑微信咨询:18627635857。

(注:仅针对需要对公开电子发票的读者,且务必提供正确的单位名称和单位税号)

方式2银行汇款

开户行:中国农业银行北京科院南路支行

户 名:中国科学院物理研究所

帐 号:11250101040005699

(注:请注明“《物理》编辑部”,汇款成功后请及时联系编辑部登记邮寄地址)

编辑部联系方式:

咨询电话:010-82649277;82649029

Email:physics@iphy.ac.cn

(赠阅活 动 )

为答谢广大读者长期以来的关爱和支持,《物理》编辑部特推出优惠订阅活动:凡直接向编辑部连续订阅2年《物理》杂志,将获赠《岁月有情- <物理> 50周年纪念本》。内有自1972年至2022年《物理》发表的50篇精选文章信息,扫描对应的二维码,可重温经典之作,感悟物理科学的真谛,领略学科大家的风采。希望读者们爱上《物理》!


特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
华晨宝马被曝裁员!波及辽宁沈阳3座工厂,补偿方案为“N+5”

华晨宝马被曝裁员!波及辽宁沈阳3座工厂,补偿方案为“N+5”

商学院杂志
2026-11-05 14:24:52
拜拜了!33中17!顶级射手无缘中国男篮

拜拜了!33中17!顶级射手无缘中国男篮

篮球实战宝典
2026-11-05 20:27:06
最新世界排名:常冰玉晋升4位,丁俊晖下滑8位,中国11人跻身前30

最新世界排名:常冰玉晋升4位,丁俊晖下滑8位,中国11人跻身前30

球场没跑道
2026-11-05 09:40:02
前三季度全国结婚登记464.8万对,同比减少50.4万对;离婚登记208.2万对,同比增加0.5万对

前三季度全国结婚登记464.8万对,同比减少50.4万对;离婚登记208.2万对,同比增加0.5万对

投资者内参
2026-11-05 16:22:05
万斯:共和党失利的根本原因是伊朗战争,特朗普:这在很大程度上是真的,因为它在短期内推高了汽油价格,但发动这场战事是“值得的”

万斯:共和党失利的根本原因是伊朗战争,特朗普:这在很大程度上是真的,因为它在短期内推高了汽油价格,但发动这场战事是“值得的”

极目新闻
2026-11-05 08:01:23
中领馆:提醒中国公民谨慎选择从檀香山国际机场入境

中领馆:提醒中国公民谨慎选择从檀香山国际机场入境

澎湃新闻
2026-11-05 04:59:18
“雷军误写小米YU7首付7.99元”冲上热搜,网友集体调侃“10块钱不用找”,随后其评论区紧急补充纠正

“雷军误写小米YU7首付7.99元”冲上热搜,网友集体调侃“10块钱不用找”,随后其评论区紧急补充纠正

洪观新闻
2026-11-03 13:55:37
华为官宣通知即将下架盘古大模型!网友调侃:余承东不是说要带领盘古中国第一、世界第一么?

华为官宣通知即将下架盘古大模型!网友调侃:余承东不是说要带领盘古中国第一、世界第一么?

大白聊IT
2026-11-05 02:03:04
中央五套乒乓球直播时间表:11月5日CCTV5+转播国乒!附冠军赛赛程

中央五套乒乓球直播时间表:11月5日CCTV5+转播国乒!附冠军赛赛程

消费侠
2026-11-05 05:52:37
俄1.46亿人口,平均2.41人一辆车,广东1亿多人平均几人一辆?

俄1.46亿人口,平均2.41人一辆车,广东1亿多人平均几人一辆?

侃故事的阿庆
2026-11-05 02:15:48
媒体人:医生建议不要剧烈运动,但周琦依然将前往国家队报到

媒体人:医生建议不要剧烈运动,但周琦依然将前往国家队报到

懂球帝
2026-11-05 14:21:40
正式被裁!CBA官方公示山东男篮取消小外援班顿注册

正式被裁!CBA官方公示山东男篮取消小外援班顿注册

狼叔评论
2026-11-05 19:04:02
3位90后宠妃排排跪着,王后贵妃环绕在侧,74岁泰王真是艳福不浅

3位90后宠妃排排跪着,王后贵妃环绕在侧,74岁泰王真是艳福不浅

毒舌小红帽
2026-11-05 15:29:25
海盗嘴脸!荷兰安世向中企“索赔20亿美元”

海盗嘴脸!荷兰安世向中企“索赔20亿美元”

环球时报国际
2026-11-05 09:44:19
消失一年拜登突然出山,一开口就给特朗普定性:你不配当美国总统

消失一年拜登突然出山,一开口就给特朗普定性:你不配当美国总统

墨兰史书
2026-06-30 18:25:03
雷军太难了,去年造车才赚了9亿,今年半年就亏掉57亿!

雷军太难了,去年造车才赚了9亿,今年半年就亏掉57亿!

互联网.乱侃秀
2026-11-05 14:49:08
克林顿夫妇现身投票站,称投票太棒了,希拉里:特朗普已经“完全失控”,10年前身边还有人能管住他,她此前还称特朗普甘愿当普京的傀儡

克林顿夫妇现身投票站,称投票太棒了,希拉里:特朗普已经“完全失控”,10年前身边还有人能管住他,她此前还称特朗普甘愿当普京的傀儡

每日经济新闻
2026-11-04 21:07:01
深秋天冷免疫力低,建议常吃这3样,叶酸含量高,家人入冬少生病

深秋天冷免疫力低,建议常吃这3样,叶酸含量高,家人入冬少生病

江江食研社
2026-11-04 18:30:19
嫌十万薪资低?张雪霸气回怼:我不逼你入职,你也别逼我给二十万

嫌十万薪资低?张雪霸气回怼:我不逼你入职,你也别逼我给二十万

铁锤简科
2026-11-05 13:51:54
第十六届世界社会主义论坛在京举行

第十六届世界社会主义论坛在京举行

金台资讯
2026-11-05 08:32:05
2026-11-05 21:00:49
中国物理学会期刊网 incentive-icons
中国物理学会期刊网
最权威的物理学综合信息网站
4515文章数 21979关注度
往期回顾 全部

科技要闻

一手实测|国产三大Flash模型,谁更能打?

头条要闻

媒体:以色列组阁大戏之前 内塔尼亚胡再"挨一刀"

头条要闻

媒体:以色列组阁大戏之前 内塔尼亚胡再"挨一刀"

体育要闻

40岁,正是绝杀的年纪!

娱乐要闻

42岁的唐嫣,又上热搜了

财经要闻

伯克希尔,连续3天扫货!

汽车要闻

宁德电池+线控底盘 智己LS8 NEO纯电上市23.98万起

态度原创

亲子
手机
家居
时尚
公开课

亲子要闻

为什么很多人觉得“养娃越来越累”?

手机要闻

红魔12Pro+、游戏平板5Pro上线《三角洲行动》原生185Hz高刷

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

fantasy club || 向大自然借光系列活动等你报名

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版