嗯，这是一篇关于冷冻电镜的干货！

1、什么是冷冻电镜

冷冻电子显微镜技术（cryo-electron microscopy）简称冷冻电镜。

冷冻电镜，是用于扫描电镜的超低温冷冻制样及传输技术(Cryo-SEM)，可实现直接观察液体、半液体及对电子束敏感的样品，如生物、高分子材料等。样品经过超低温冷冻、断裂、镀膜制样（喷金/喷碳）等处理后，通过冷冻传输系统放入电镜内的冷台（温度可至-185℃）即可进行观察。冷冻电镜中的冷冻技术可以瞬间冷冻样品，并在冷冻状态下保持和转移，使样品最大限度保持原来性状，得出的数据更准确，实验成功率才更高。

2、冷冻电镜的分类

目前我们讨论的冷冻电镜基本上指的是冷冻透射电子显微镜，但是如果我们可以使用冷冻技术的角度定义冷冻电镜的话，冷冻电镜主要可以分为冷冻透射电子显微镜、冷冻扫描电子显微镜、冷冻刻蚀电子显微镜。

2.1冷冻透射电子显微镜

冷冻透射电镜（Cryo-TEM）通常在普通透射电镜上加装样品冷冻台，将样品冷却到液氮温度（77K）。用于观测蛋白、生物切片等对温度敏感的样品。通过对样品的冷冻，可以降低电子束对样品的损伤，减小样品的形变，从而得到真实的样品形貌。

一台冷冻透射电镜的价格在600万美元左右，价格及其昂贵，它的优点主要体现在以下几个方面：第一是加速电压高，电子穿透厚样品；第二是透镜多，光学性能好；第三是样品台稳定；第四是全自动，自动换液氮，自动换样品，自动维持清洁。

2.2冷冻扫描电子显微镜

扫描电镜工作者都面临着一个不能回避的事实，就是所有生命科学以及许多材料科学的样品都含有液体成分。很多动植物组织的含水量达到98%，这是扫描电镜工作者最难对付的样品问题。

冷冻扫描电镜（Cryo-SEM）技术是克服样品含水问题的一个快速、可靠和有效的方法。这种技术还被广泛地用于观察一些“困难”样品，如那些对电子束敏感的具有不稳定性的样品。各种高压模式如VP、LV和ESEM的出现，已允许扫描电镜观察未经冷冻和干燥的样品。但是，冷冻扫描电镜仍然是防止样品丢失水分的最有效方法，它能应用于任何真空状态，包括装于SEM的Peltier台以及向样品室内冲以水汽的装置。冷冻扫描电镜还有一些其他优点，如具有冷冻断裂的能力以及可以通过控制样品升华刻蚀来选择性地去除表面水分（冰）等。冷冻电镜基本的观测流程如下图2.1所示：

2.3冷冻刻蚀电子显微镜

冷冻蚀刻（Freeze-etching）电镜技术是从50年代开始发展起来的一种将断裂和复型相结合的制备透射电镜样品技术，亦称冷冻断裂（Freeze-fracture）或冷冻复型（Freeze-replica），用于细胞生物学等领域的显微结构研究。

冷冻蚀刻电镜的优点：①样品通过冷冻，可使其微细结构接近于活体状态；②样品经冷冻断裂蚀刻后，能够观察到不同劈裂面的微细结构，进而可研究细胞内的膜性结构及内含物结构；③冷冻蚀刻的样品，经铂、碳喷镀而制备的复型膜，具有很强的立体感且能耐受电子束轰击和长期保存。缺点：冷冻也可造成样品的人为损伤；断裂面多产生在样品结构最脆弱的部位，无法有目的地选择。

断裂

蚀刻

3、冷冻电镜的原理

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，其过程包括样品制备、透射电子显微成像、图像处理及结构解析等几个步骤（图3.1）。样品经过在液氮中的冷冻固定，使得生物大分子中的水分子以玻璃态的形式存在，保持低温，将样品放入显微镜，高度相干的电子作为光源从上面照射下来，透过样品和附近的冰层，受到散射，利用探测器和透镜系统把散射的信号成像记录下来，在进行信号处理，最后利用三维重构技术得到样品的三维结构。

图3.1冷冻电镜解析过程及基本步骤

透射电子显微镜成像过程中，电子束穿透样品，将样品的三维电势密度分布函数沿着电子束的传播方向投影至与传播方向垂直的二维平面上。

运用中心截面定理，从而可以通过三维物体不同角度的二维投影在计算进内进行三维重构来解析获得物体的三维结构。

4、冷冻电镜在材料学上的应用  

1975年，亨德森利用电子显微镜的方法，发表出来第一个非常粗糙的视紫红质蛋白结构，成为历史上第一张膜蛋白领域的三维结构。2017年10月4日，瑞士洛桑大学的雅克杜波切特、美国哥伦比亚大学的乔基姆弗兰克和英国剑桥大学的理查德亨德森，因发明用于生物分子的高分辨率结构测定的冷冻电子显微镜获得2017年诺贝尔化学奖。这一消息也标志着生物化学进入了一个新时代。伴随着科学家的不断努力，冷冻电镜在结构生物学领域也取得的巨大成功。而随着冷冻电镜在生物学上的应用启示，冷冻电镜在材料科学中也开始崭露头角，开启了材料科学研究的一个新世界。

2017年10月27日，美国斯坦福大学崔屹（通讯作者）团队以题为“Atomic structure of sensitive battery materials and interfaces revealed by cryo–electron microscopy”的文章在Science上发表，该团队实现了利用冷冻电镜观测电池材料和界面原子结构，观察到碳酸盐基电解质中的枝晶沿着<111>（优先），<110>或<211>方向生长为单晶纳米线。

2017年11月1日，美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的孟颖教授（Ying Shirley Meng）等人在Nano Lett.上发表了题为“New Insights on the Structure of Electrochemically Deposited Lithium Metal and Its Solid Electrolyte Interphases via Cryogenic TEM”的文章。文章同样是采取了冷冻电镜技术稳定了电化学沉积的活泼的锂金属，同时减少电子束带来的损伤，然后对其纳米结构、化学组成以及固态电解质界面进行了研究。

2018年8月15日，康奈尔大学的Lena F. Kourkoutis（通讯作者）课题组采用冷冻电镜技术观察到了锂金属电池中界面膜和枝晶的纳米级结构并以此全面深入地理解了发生在该界面的化学过程。其科研成果以题为“Cryo-STEM mapping of solid–liquid interfaces and dendrites in lithium-metal batteries”的文章在线发表在Nature上。

随着冷冻电镜应用的不断涌现，其将在材料界扮演着越来越重要的角色。 工欲善其事，必先利其器。科学实验的成功离不开科学仪器和设备的支撑，很多重大科研成果都是由于科学仪器和方法的突破。小编相信，随着冷冻电镜的不断推广和使用，不久的将来，Cryo-EM的独特魅力将在水泥材料、某些高分子材料、水凝胶、量子点等精细结构、中间态的表征中得到展现，也会在材料领域开辟出一片新的天地，帮助科学家完成更多“不可能”。