电镜三维重构I详解.ppt

像差---〉1.离焦 物距u与像距v不满足高斯公式, 物面波函数传播?f的距离到达 像的共轭面，即 u v ?f u 当?f=u-f 0, 叫做过焦，反之，当?f=u-f 0，叫做欠焦。由 离焦在后焦面上引起的相位差为 像差---〉2. 球差 1 2 透镜的球差用球差系数来描述， 因球差在后焦面上引起的相位 差为 离焦和球差对后焦面上的相位差的综合贡献为 弱相位体近似 物平面 后焦面 像平面 u v f q(r) Q(r)W(r) ψ(r) 假如样品足够薄，散射势场 σφ(r)1，可以把物体视 为相位体，即入射电子波与 样品相互作用后，只有波的 相位改变，而振幅不变，因 此，物后表面的波函数为 由于σφ(r)1, 上式的一次近 似为 弱相位体近似 物平面 后焦面 像平面 u v f q(r) Q(r)W(r) ψ(r) 后焦面上的衍射波为物后表 面波的傅立叶变换，即 考虑传递函数的作用，后焦 面上被调制的波函数为 像面波是被调制的衍射波的 傅立叶变换，即 弱相位体近似 最后，像平面上的强度 即观察的强度为 上式是弱相位体产生的相位衬度。进一步考虑吸收效应，像 强度中增加一项振幅衬度，改变为 从上式定义衬度传递函数为 衬度传递函数 弱相位体近似 结构信息经过透镜后受到衬度传递函数的调制，因此，像一般并不等同于真实的结构。 对于轻元素组成的薄样品，像的衬度等于样品的势函数与衬度传递函数的傅里叶变换的卷积 当离焦值为零时，没有衬度 在Scherzer条件下，衬度传递函数在相当大的空间频率范围 内接近-1，此时像的强度对应于物体的结构像。此时的欠 焦值为 高分辨电子显微镜的图像处理 选择高分辨像 消除背景噪音 测定及消除CTF的影响 提高分辨率 选择高分辨像 二维晶体（2D crystals） 观察FFT的衍射点是否清晰 分辨率是否达到要求 衍射点的对称性 螺旋丝状结构（Helical Filaments） 长、直 均匀 层线的分辨率是否达到要求 单颗粒（single particle） 均匀 (homogenous) 方差 互相关系数 消除背景噪音 消除背景噪音---〉二维晶体 FT 消除背景噪音---〉二维晶体 放大 滤波 消除背景噪音---〉二维晶体 原始像 滤波像 （滤波半径=1） 消除背景噪音---〉二维晶体 原始像 滤波像 （滤波半径=7） 消除背景噪音---〉单颗粒 对像的FFT做高通和低通滤波 设置频率在高端和底端的阈值 对大量取向一致的粒子像做平均 消除背景噪音---〉单颗粒 平均 测定及消除CTF的影响 测定CTF Thon Ring 比较高分辨像与X-ray的数据 振幅残差法 直接法 最大熵 消除CTF FT u≠0 消除CTF a c d b Yang S. X. et al, Ultromicroscopy, 2000 应用Wiener Filter消除单颗粒像CTF 像中的信息由与结构相关的部分及噪音组成，则 消除CTF后，结构信息部分为 利用多张像，上式改写为 提高分辨率 样品准备---包埋 拍照 --- low dose 提高信噪比---s/n ratio 增加像的数量 相位外推（二维晶体） 提高分辨率---〉二维晶体 Ri Rd 提高分辨率---〉二维晶体 Yang S. X. et al, Chinese Physics, 2005 * 1959年黄友兰、姚骏恩在中科院长春精密机械与物理研究所制造第一台透射电子显微镜 电子衍射图包含的信息 衍射点的位置 ---〉晶胞的大小和形状 衍射点强度及背景的强度 ---〉信噪比 最远能分辨的衍射点 ---〉分辨率 Thon ring ---〉离焦值 椭圆Thon ring ---〉像散值 卷积定理、相关函数 卷积定义 卷积定理 分子 = f(r) 晶格 = l(r) 相关函数 定义 特例：自相关函数 主要应用：Patterson函数；晶格畸变矫正；测定一个投影像 的方位角。 透射电镜 透射电镜发展简史 透射电镜的构造 光源与分辨率 与扫描电镜的区别 电镜三维重构技术的发展史 1924 De. Broglie提出物质波理论，并被电子衍射实验证实 1926年, H. Busch提出轴对称磁场可以汇聚电子束，并服从几何光学定律 1932年　E. Ruska研制出第一台电子显微镜 20世纪30年代，晶体衍射分析 1949年，Bacl2·H2o晶体结构 1968年，Klug DeRosier，烟草花叶病毒。首次提出电镜三维重构方法。 电镜三维重构技术的发展史 1975年，Henderson和Unwin重构了细菌视紫红质 (Bacteriorhodopson) 的7?分辨率的三维结构。------电子晶体学的一个里程碑。 1982年，Klug获得诺