结构生物化学/用X射线成像细胞结构
许多关于细胞结构及其在正常和疾病填充过程中的再发育的知识都是从成像中获得的。几个世纪以来，光学显微镜技术的使用已经达到了顶峰，并产生了大量关于细胞和分子动力学的相关信息。存在两种主要类型的显微镜，包括荧光显微镜和透射光显微镜。虽然这两种技术极大地促进了我们对细胞过程的理解，但它们往往提供有限的细节。由于电子的低穿透能力，无法完整地检查真核细胞。因此，大多数细胞被切成 60-500 纳米厚的切片。这个繁琐的过程需要初始固定、脱水和塑料包埋，以及应用重金属染色剂来产生对比度。可以看出，要获得整个细胞的三维结构信息需要大量的工作，这就是为什么大多数研究往往局限于细胞的小部分区域的原因。
所有这些都导致了 X 射线成像技术的出现，这是细胞成像的一项重要新工具。X 射线用途广泛，因为它们可以穿透厚厚的细胞和组织，无需进一步切片标本。实际上，存在三种主要的 X 射线成像技术，包括软 X 射线显微镜、软 X 射线断层扫描和相干衍射成像。X 射线显微镜能够深入穿透厚厚的细胞，并立即启动结构发展和展望。软 X 射线断层扫描可以生成细胞在近天然状态下的定量三维图像（在优于 50 纳米各向同性分辨率的情况下）。最独特的技术，称为相干衍射成像（名称不言自明），提供了一种可能性，可以使用计算和高速计算机而不是 X 射线光学器件来对细胞进行高分辨率 X 射线成像以对图像进行相位处理。让我们更详细地了解每种 X 射线成像技术的细节。软 X 射线显微镜涉及使用特定的区域板透镜来允许 X 射线释放到目标细胞。这些显微镜使用能量在“水窗”范围内的光子运行，该范围是位于碳和氧的 K 层吸收边之间的光谱区域。但是，基于透镜的成像也可以在水窗之外的能量下进行，在该能量下可以使用相位对比度技术生成图像。迄今为止，最引人注目的图像是在水窗波长操作下使用明场、吸收对比度获得的。为了进一步说明每个板光学的操作，可以说聚光镜区域板光学器件将 X 射线聚焦到细胞本身，而物镜区域板光学器件将透射光聚焦到探测器上。
软 X 射线断层扫描在某种程度上类似于光学和电子显微镜，因为它也可以生成三维标本的二维表示。然而，通过能够收集细胞在围绕旋转角度的各个角度的投影图像，可以数学地计算出感兴趣标本的三维重建。已经注意到，所有生物材料在暴露于强光时都会受到损害。这种强度可以来自荧光显微镜中的紫外线照射或来自 X 射线显微镜的光子。但是，通过低温切割，可以将光束聚焦在更低的温度下，从而完全避免辐射细胞损伤的可能性。事实上，当细胞在液氮温度下成像时，可以检索到超过一千张软 X 射线投影图像，而不会造成任何辐射损伤。如前所述，在此 X 射线成像过程中，必须进行专门的低温断层扫描阶段。说明软 X 射线断层扫描多功能性的一个关键事实是，它可以应用于细胞生物学中的几乎所有成像研究，从简单细菌的成像到酵母甚至藻类。第一次记录的 X 射线断层扫描重建的证据是藻类。能够获得完整真核细胞的高分辨率图像的能力是任何类型的显微镜或电子显微镜都无法复制的。此外，X 射线断层扫描可用于检查最复杂的细胞，例如白细胞和感染疟疾的红细胞。
最后但并非最不重要的是，讨论的另一种技术是相干衍射成像方法。这仅仅是一种方法，它提供了一种可能性，可以消除对透镜的需求，从而避免了制造技术现状所带来的限制。可以将 CDI 实验的基本布置看作是用于照亮样品的相干光束，并测量其远场衍射图案。光束通常会与样品发生非常弱的相互作用，并且光束的未衍射部分被认为是主要的，并且除非启动光束阻挡器，否则会损坏探测器。光束在非常低的衍射角下的测量紧随其后。在相干衍射成像中，使用区域板而不是透镜，因为它被用于创建焦点，并且样品被放置在从该焦点发散的光束中。当然，软 X 射线显微镜和软 X 射线断层扫描似乎目前使用得更多，但相干衍射成像在未来拥有巨大的潜力。必须进一步完善程序技术才能使其在三维成像中发挥更大的作用。毕竟，CDI 提供了对定量幅度和相位信息的访问，而这些信息通过其他形式的 X 射线成像不容易获得。有一点是肯定的：X 射线成像技术将在未来几年寻求发展。
硬 X 射线荧光断层扫描最初是一种检测生物组织中微量过渡金属（如铜、锌、镁等）的方法。例如，锌和镁等金属离子作为许多催化酶促反应中的辅因子，因此对细胞非常重要。使用硬 X 射线，可以同时检测和映射大量过渡金属，因为过渡元素在受到硬 X 射线照射时会自动发出荧光。虽然这种方法非常强大，但使用这种方法存在许多技术问题。
硬 X 射线断层扫描是一种技术，它使用大量组织切片的二维图像来组装给定组织样本的三维图像。断层扫描主要分为三大类：全场断层扫描、投影断层扫描和共聚焦断层扫描。全场投影断层扫描是利用标本的整个视野来执行断层扫描的过程。然而，这仍然是一项年轻的、正在发展中的技术，存在许多问题。另一方面，投影断层扫描相当成功，在产生的最终图像中必须考虑某些错误。共聚焦断层扫描是三者中最有趣的——它使科学家能够分析标本的非常小的一部分，尽管使用这种方法很难找到特定的目标。
科学家使用这种方法分析生物组织面临着一些挑战。第一个挑战是硬 X 射线非常强，因此对所研究的组织非常有害。这导致只有种子等硬组织才能被研究，因为其他组织在暴露下很容易死亡。目前可分析的样本被冷冻干燥或化学固定以承受辐射。由于处理使用这种技术的技术困难的速度限制，科学家也面临着许多时间限制。
用 X 射线成像细胞结构。Nugent 和 Carolyn A Larabell。硬 X 射线荧光断层扫描——一种用于结构可视化的新兴工具。Martin D de Jonge 和 Stefan Vogt。