結構生物化學/用X射線成像細胞結構
許多關於細胞結構及其在正常和疾病填充過程中的再發育的知識都是從成像中獲得的。幾個世紀以來，光學顯微鏡技術的使用已經達到了頂峰，併產生了大量關於細胞和分子動力學的相關資訊。存在兩種主要型別的顯微鏡，包括熒光顯微鏡和透射光顯微鏡。雖然這兩種技術極大地促進了我們對細胞過程的理解，但它們往往提供有限的細節。由於電子的低穿透能力，無法完整地檢查真核細胞。因此，大多數細胞被切成 60-500 奈米厚的切片。這個繁瑣的過程需要初始固定、脫水和塑膠包埋，以及應用重金屬染色劑來產生對比度。可以看出，要獲得整個細胞的三維結構資訊需要大量的工作，這就是為什麼大多數研究往往侷限於細胞的小部分割槽域的原因。
所有這些都導致了 X 射線成像技術的出現，這是細胞成像的一項重要新工具。X 射線用途廣泛，因為它們可以穿透厚厚的細胞和組織，無需進一步切片標本。實際上，存在三種主要的 X 射線成像技術，包括軟 X 射線顯微鏡、軟 X 射線斷層掃描和相干衍射成像。X 射線顯微鏡能夠深入穿透厚厚的細胞，並立即啟動結構發展和展望。軟 X 射線斷層掃描可以生成細胞在近天然狀態下的定量三維影像（在優於 50 奈米各向同性解析度的情況下）。最獨特的技術，稱為相干衍射成像（名稱不言自明），提供了一種可能性，可以使用計算和高速計算機而不是 X 射線光學器件來對細胞進行高解析度 X 射線成像以對影像進行相位處理。讓我們更詳細地瞭解每種 X 射線成像技術的細節。軟 X 射線顯微鏡涉及使用特定的區域板透鏡來允許 X 射線釋放到目標細胞。這些顯微鏡使用能量在“水窗”範圍內的光子執行，該範圍是位於碳和氧的 K 層吸收邊之間的光譜區域。但是，基於透鏡的成像也可以在水窗之外的能量下進行，在該能量下可以使用相位對比度技術生成影像。迄今為止，最引人注目的影像是在水窗波長操作下使用明場、吸收對比度獲得的。為了進一步說明每個板光學的操作，可以說聚光鏡區域板光學器件將 X 射線聚焦到細胞本身，而物鏡區域板光學器件將透射光聚焦到探測器上。
軟 X 射線斷層掃描在某種程度上類似於光學和電子顯微鏡，因為它也可以生成三維標本的二維表示。然而，透過能夠收集細胞在圍繞旋轉角度的各個角度的投影影像，可以數學地計算出感興趣標本的三維重建。已經注意到，所有生物材料在暴露於強光時都會受到損害。這種強度可以來自熒光顯微鏡中的紫外線照射或來自 X 射線顯微鏡的光子。但是，透過低溫切割，可以將光束聚焦在更低的溫度下，從而完全避免輻射細胞損傷的可能性。事實上，當細胞在液氮溫度下成像時，可以檢索到超過一千張軟 X 射線投影影像，而不會造成任何輻射損傷。如前所述，在此 X 射線成像過程中，必須進行專門的低溫斷層掃描階段。說明軟 X 射線斷層掃描多功能性的一個關鍵事實是，它可以應用於細胞生物學中的幾乎所有成像研究，從簡單細菌的成像到酵母甚至藻類。第一次記錄的 X 射線斷層掃描重建的證據是藻類。能夠獲得完整真核細胞的高解析度影像的能力是任何型別的顯微鏡或電子顯微鏡都無法複製的。此外，X 射線斷層掃描可用於檢查最複雜的細胞，例如白細胞和感染瘧疾的紅細胞。
最後但並非最不重要的是，討論的另一種技術是相干衍射成像方法。這僅僅是一種方法，它提供了一種可能性，可以消除對透鏡的需求，從而避免了製造技術現狀所帶來的限制。可以將 CDI 實驗的基本佈置看作是用於照亮樣品的相干光束，並測量其遠場衍射圖案。光束通常會與樣品發生非常弱的相互作用，並且光束的未衍射部分被認為是主要的，並且除非啟動光束阻擋器，否則會損壞探測器。光束在非常低的衍射角下的測量緊隨其後。在相干衍射成像中，使用區域板而不是透鏡，因為它被用於建立焦點，並且樣品被放置在從該焦點發散的光束中。當然，軟 X 射線顯微鏡和軟 X 射線斷層掃描似乎目前使用得更多，但相干衍射成像在未來擁有巨大的潛力。必須進一步完善程式技術才能使其在三維成像中發揮更大的作用。畢竟，CDI 提供了對定量幅度和相位資訊的訪問，而這些資訊透過其他形式的 X 射線成像不容易獲得。有一點是肯定的：X 射線成像技術將在未來幾年尋求發展。
硬 X 射線熒光斷層掃描最初是一種檢測生物組織中微量過渡金屬（如銅、鋅、鎂等）的方法。例如，鋅和鎂等金屬離子作為許多催化酶促反應中的輔因子，因此對細胞非常重要。使用硬 X 射線，可以同時檢測和對映大量過渡金屬，因為過渡元素在受到硬 X 射線照射時會自動發出熒光。雖然這種方法非常強大，但使用這種方法存在許多技術問題。
硬 X 射線斷層掃描是一種技術，它使用大量組織切片的二維影像來組裝給定組織樣本的三維影像。斷層掃描主要分為三大類：全場斷層掃描、投影斷層掃描和共聚焦斷層掃描。全場投影斷層掃描是利用標本的整個視野來執行斷層掃描的過程。然而，這仍然是一項年輕的、正在發展中的技術，存在許多問題。另一方面，投影斷層掃描相當成功，在產生的最終影像中必須考慮某些錯誤。共聚焦斷層掃描是三者中最有趣的——它使科學家能夠分析標本的非常小的一部分，儘管使用這種方法很難找到特定的目標。
科學家使用這種方法分析生物組織面臨著一些挑戰。第一個挑戰是硬 X 射線非常強，因此對所研究的組織非常有害。這導致只有種子等硬組織才能被研究，因為其他組織在暴露下很容易死亡。目前可分析的樣本被冷凍乾燥或化學固定以承受輻射。由於處理使用這種技術的技術困難的速度限制，科學家也面臨著許多時間限制。
用 X 射線成像細胞結構。Nugent 和 Carolyn A Larabell。硬 X 射線熒光斷層掃描——一種用於結構視覺化的新興工具。Martin D de Jonge 和 Stefan Vogt。