[发明专利]一种生物样品成像辅助装置、生物样品成像系统及方法

说明书

本发明属于生物样品成像技术领域，公开了一种生物样品成像辅助装置、生物样品成像系统及方法。生物样品成像辅助装置包括飞秒激光单元和冷冻单元，飞秒激光单元包括飞秒激光器和调整光路。生物样品成像系统包括冷冻电子显微镜和生物样品成像辅助装置。通过飞秒激光器发射飞秒激光脉冲，通过调整光路将飞秒激光脉冲聚焦在玻璃态的生物样品的不同高度上；利用飞秒激光脉冲的冷加工作用，对生物样品进行逐层剥离；在每次剥离操作后，使用冷冻电子显微镜对生物样品进行成像；多次剥离操作和多次成像操作后，得到生物样品在不同高度区域不同角度下对应的多个二维图像。本发明可提高生物样品结构解析效率。

技术领域

本发明属于生物样品成像技术领域，更具体地，涉及一种生物样品成像辅助装置、生物样品成像系统及方法。

背景技术

生物大分子具有复杂的三维结构，研究其精细结构，有助于理解其如何在细胞中发挥作用。例如，蛋白质复合物在细胞膜表面负责基本的生物过程(突触传递、凝血和凋亡)，在细胞膜表面解析这些蛋白质大分子结构将有助于理解其实现特定功能的结构基础和在相关生物过程中所发挥的作用，现代生物学的一个基本目标就是理解这些复杂结构是如何执行任务的，该过程涉及到了化学键的破裂和形成，因此原子尺度的结构表征被证明是一种有效的手段。

生物大分子非常小，可见光受衍射极限的限制，无法观测到生物大分子结构，X光晶体学在过去很长一段时间是结构生物学的重要工具，但是大部分蛋白质时难以结晶的，而另一种用于表征蛋白质结构的技术是核磁共振波谱，可以测量原子间相互作用，但只能用作推断相对较小的蛋白质结构。

电子波长较短，当被加速到几十万伏高压时，其波长较蛋白质等生物大分子中原子距离短得多，因此人们希望能够用电子显微镜来观察蛋白质结构。但是存在以下两个问题：(1)生物结构一般需要水作为基本环境，而电子显微镜由于电子束容易被空气分子散射，因此只能采用高真空环境；(2)生物结构易受到辐照损伤。

冷冻电子显微镜能够将样品保持在低温条件下，避免了辐照损伤，这项技术的发展为研究生物大分子的结构表征提供了前所未有的机会。

现有的冷冻电子显微镜的基本工作过程包括：(1)样品制备:将几微升蛋白质等生物样品溶液滴到含有微孔碳膜的网格(例如，微栅)上，插入液态乙烷进行快速冷冻，转移至电子显微镜装置；(2)数据收集：拍摄不同角度的生物样品二维图像；(3)数据处理：将多个生物样品二维图像进行三维重建，得到样品三维结构图。

然而，现有的冷冻电子显微镜获得生物样品三维结构图的过程存在一个明显缺陷：由于在生物样品的冷冻过程中，生物分子被冷冻在不同位置，容易产生彼此堆叠，影响电子显微成像，因此很难在一次样品制备实验过程中获得多个不同角度样品二维图像，如果想更快速地获得样品三维结构图，就需要提出新的技术手段，克服以上不足。

发明内容

本发明通过提供一种生物样品成像辅助装置、生物样品成像系统及方法，解决现有技术中难以在一次生物样品的制备实验过程中获得多个不同角度的二维图像的问题。

本发明提供一种生物样品成像辅助装置，包括：飞秒激光单元和冷冻单元；所述飞秒激光单元包括飞秒激光器和调整光路；所述冷冻单元用于使得位于微栅上的生物样品保持玻璃态；所述飞秒激光器用于发射飞秒激光脉冲；所述调整光路用于将所述飞秒激光脉冲聚焦到所述生物样品上，通过所述飞秒激光脉冲对所述生物样品进行逐层剥离。

优选的，所述冷冻单元包括液氮罐和液氮通道；所述液氮罐用于存储液氮；所述液氮通道与所述液氮罐连通，所述液氮在所述液氮通道中循环，使得位于微栅上的生物样品保持玻璃态；所述微栅、所述液氮通道的至少部分通道和所述调制光路的至少部分光路插入至冷冻电子显微镜的内部。

优选的，所述飞秒激光脉冲的波长为1040nm，单脉冲能量为5nJ～10nJ，重复频率为50～100MHz；所述飞秒激光脉冲对所述生物样品进行逐层剥离时的剥离深度在纳米级别。