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冷凍斷裂與冷凍蝕刻基礎介紹
點擊次數：1261 更新時間：2023-04-24
揭示生物學樣本和材料樣本原本無法觀察到的內部結構
冷凍斷裂是一種將冰凍樣本劈裂以露出其內部結構的技術。冷凍蝕刻是指讓樣本表面的冰在真空中升華，以便露出原本無法觀察到的斷裂面細節。金屬/碳復合鍍膜能夠實現樣本在SEM（塊面）或TEM（復型）中的成像，主要用于研究如細胞器、細胞膜，細胞層和乳膠。這項技術傳統上用于生物學應用，但現在逐漸在物理學和材料科學中展現出重要意義。近年來，研究人員通過冷凍斷裂電子顯微鏡，尤其是冷凍復型免疫標記（FRIL），對膜蛋白在動態細胞過程中所發揮的作用有了新的見解。
作者：Gisela H?flinger
圖1：麥葉上的蚜蟲
適合于電子顯微鏡的環境
電子顯微鏡的樣品室通過抽真空處理降*低壓力。置于這種環境下的活細胞無法有效保全結構，因為細胞構成中的大部分水分會快速蒸發。
生物樣本的制備方法有很多種。樣品材料被（固定）保存，這樣后續脫水對原位結構的破壞小，同時可以使用環境掃描電鏡（SEM）或者將水冷凍。高壓冷凍是觀察自然狀態下含水結構的方法。高壓冷凍所形成的冰不是六邊形冰（從水變為六邊形冰時體積會增加）而是無定形冰，因此體積保持不變。所以，對滲透和溫度變化敏感的結構得以保留（見文章“高壓冷凍基礎介紹"）。
要觀察諸如細胞器、細胞膜、乳膠或液體的表面界面等結構，冷凍斷裂是一種方法。通過刀片（或類似物）或釋放彈簧負載的外力來破開冷凍樣本，并沿著小阻力線斷裂樣本。
電子顯微鏡的樣品室通過抽真空處理降*低壓力。置于這種環境下的活細胞無法有效保全結構，因為細胞構成中的大部分水分會快速蒸發。
生物樣本的制備方法有很多種。樣品材料被（固定）保存，這樣后續脫水對原位結構的破壞小，同時可以使用環境掃描電鏡（SEM）或者將水冷凍。高壓冷凍是觀察自然狀態下含水結構的方法。高壓冷凍所形成的冰不是六邊形冰（從水變為六邊形冰時體積會增加）而是無定形冰，因此體積保持不變。所以，對滲透和溫度變化敏感的結構得以保留（見文章“高壓冷凍基礎介紹"）。
要觀察諸如細胞器、細胞膜、乳膠或液體的表面界面等結構，冷凍斷裂是一種方法。通過刀片（或類似物）或釋放彈簧負載的外力來破開冷凍樣本，并沿著小阻力線斷裂樣本。
圖2：冷凍斷裂
水的升華與凝結 – 冷凍蝕刻與污染
要暴露冷凍斷裂面，需要把冰去除。這就需要通過把斷裂面的冰升華去除以保存樣品的結構。升華的過程是冰不經過液態過程直接轉化為氣態。而液態過程會導致樣品體積和結構的破壞。
要暴露冷凍斷裂面，需要把冰去除。這就需要通過把斷裂面的冰升華去除以保存樣品的結構。升華的過程是冰不經過液態過程直接轉化為氣態。而液態過程會導致樣品體積和結構的破壞。
圖3：ES，細胞外表面；PF，細胞膜冷凍斷裂面；EF，細胞膜外層冷凍斷裂面；FS，細胞膜內表面；Cyt，細胞質
水的升華/冷凝過程取決于特定溫度下的飽和壓力，以及水或冰在室內的有效水分壓。
注意：良好的真空度會降低水分壓。
例如：溫度為-120℃的冰或冰凍樣本飽和壓力約為10-7 mbar。如果樣品室內達到這個壓力，則冷凝和蒸發處于平衡狀態。蒸發的分子數量等于冷凝的分子數量。在更高壓力下，冷凝速度要快于升華速度 – 因此冰晶會在樣本表面上生長。必須采取一切手段來避免這種情況。樣本上方一個較冷（比樣本更冷）的冷阱會降低局部壓力，從而起到了冷凝阱的作用。從樣本中帶出的水分子優先附著在較冷的表面上。在低于飽和壓力的壓力下，更多的分子升華而不是冷凝，同時會發生冷凍蝕刻。
執行冷凍蝕刻直到樣本*無冰，這一過程稱為冷凍干燥。僅適用于合理時間內執行的小樣本。該過程分為幾個步驟，需要從大約-120℃加熱到-60℃，同時在每個步驟上使溫度保持一定時間。該過程需要幾天的時間來完成。
注意：良好的真空度會降低水分壓。
例如：溫度為-120℃的冰或冰凍樣本飽和壓力約為10-7 mbar。如果樣品室內達到這個壓力，則冷凝和蒸發處于平衡狀態。蒸發的分子數量等于冷凝的分子數量。在更高壓力下，冷凝速度要快于升華速度 – 因此冰晶會在樣本表面上生長。必須采取一切手段來避免這種情況。樣本上方一個較冷（比樣本更冷）的冷阱會降低局部壓力，從而起到了冷凝阱的作用。從樣本中帶出的水分子優先附著在較冷的表面上。在低于飽和壓力的壓力下，更多的分子升華而不是冷凝，同時會發生冷凍蝕刻。
執行冷凍蝕刻直到樣本*無冰，這一過程稱為冷凍干燥。僅適用于合理時間內執行的小樣本。該過程分為幾個步驟，需要從大約-120℃加熱到-60℃，同時在每個步驟上使溫度保持一定時間。該過程需要幾天的時間來完成。
圖4：飽和蒸汽壓力（感謝Umrath 1982提供的圖片）
樣本溫度低于-120℃時，蝕刻速度非常慢，蝕刻持續時間會增加到不切實際的程度。如果真空室的壓力固定，則可以通過提高樣本溫度來提高蝕刻速度。對于生物樣本，要特別小心溫度高于-90℃。蝕刻速度會大幅提高。另外，要注意玻璃態冰中形成六邊形冰晶從而導致脫水偽像。
純水的理論升華速度會降低，因為：
樣本深處的水升華速度比表面的水更慢。
鹽和大分子溶劑會降低升華速度。
生物樣本中大量存在的結合水會降低升華速度。
通過冷凍斷裂生成圖像
冷凍斷裂和冷凍蝕刻技術往往采用高真空精細鍍膜技術，將超細膩重金屬和碳薄膜沉積于斷裂表面。
對于這兩種方法，冷凍斷裂表面經過一定的蝕刻時間后以相同的方式進行鍍膜。首先在一定角度下進行一層薄的（2-7nm）重金屬鍍膜，以形成地形對比度（陰影）。其次再針對重金屬薄膜，在90°下進行一層厚的碳層（15-20nm）鍍膜，以穩定超薄電子束蒸發。此時的蝕刻處理會停止。要對極小的結構進行成像，需要在極低的角度（2–8°）鍍膜重金屬并在鍍膜期間旋轉樣本。這樣可增加細絲狀及其它細小結構的對比度。此項技術又稱為小角度旋轉投影。
蒸鍍重金屬薄膜需要采用電子束蒸發鍍膜技術。這種鍍膜技術可實現精細定向沉積。碳的支撐層穩定了未被金屬覆蓋的結構。隨著溫度的升高，這些結構會改變它們的輪廓，樣本不會*導電，復型也不會粘在一起。
冷凍斷裂酵母的單向投影
圖5：低溫SEM，BSE（背散射電子）圖像。Walther P, Wehrli E, Hermann R, Müller M.（1995）雙層鍍膜獲取高分辨率低溫SEM。J Microsc. 179, 229-237。
圖6：復型，TEM圖像（感謝Electronmicroscopy ETH Zürich提供圖片）。Walther P, Wehrli E, Hermann R, Müller M.（1995）雙層鍍膜獲取高分辨率低溫SEM。J Microsc. 179, 229-237。
圖7：徠卡高壓冷凍，真空冷凍傳輸至冷凍斷裂系統中，利用電子束發射槍和旋轉樣本底座來進行冷凍蝕刻和低溫鍍膜。徠卡真空冷凍傳輸至低溫SEM。油/水基樣品，–100℃（升華）3分鐘暴露油脂結構。
圖8：徠卡高壓冷凍，真空冷凍傳輸至冷凍斷裂系統中，利用電子束發射槍和旋轉樣本底座來進行冷凍蝕刻和低溫鍍膜。徠卡真空冷凍傳輸至低溫SEM。原生生物游仆蟲混合培養的羽紋硅藻。感謝英國波特斯巴NIBSC的Roland Fleck博士提供圖片
圖9：徠卡冷凍斷裂系統及徠卡真空冷凍傳輸至低溫SEM的HPF、冷凍斷裂、冷凍蝕刻和低溫鍍膜。油/水基乳液破裂，露出洋蔥狀薄片結構，形成液滴。感謝漢堡拜爾斯多夫Stefan Wiesner博士提供的圖片。
圖10：TEM中的酵母細胞復型。經徠卡高壓冷凍和徠卡冷凍斷裂復型制備。感謝Elektronenmikroskopie ETH Zürich提供的圖片。
圖11：大麥葉上的真菌。安裝于徠卡冷凍斷裂儀樣本臺上，并通過冷卻樣本臺在液氮下進行冷凍。徠卡冷凍斷裂儀對樣品進行部分冷凍干燥（在更高的樣本溫度下冷凍干燥）。使用鎢鍍膜。徠卡真空冷凍傳輸至低溫FESEM 5keV。
圖9：徠卡冷凍斷裂系統及徠卡真空冷凍傳輸至低溫SEM的HPF、冷凍斷裂、冷凍蝕刻和低溫鍍膜。油/水基乳液破裂，露出洋蔥狀薄片結構，形成液滴。感謝漢堡拜爾斯多夫Stefan Wiesner博士提供的圖片。
圖10：TEM中的酵母細胞復型。經徠卡高壓冷凍和徠卡冷凍斷裂復型制備。感謝Elektronenmikroskopie ETH Zürich提供的圖片。
圖11：大麥葉上的真菌。安裝于徠卡冷凍斷裂儀樣本臺上，并通過冷卻樣本臺在液氮下進行冷凍。徠卡冷凍斷裂儀對樣品進行部分冷凍干燥（在更高的樣本溫度下冷凍干燥）。使用鎢鍍膜。徠卡真空冷凍傳輸至低溫FESEM 5keV。
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