生物帮材料科学家通常使用溶液相透射电子显微镜(TEM)揭示纳米晶体的三维(3-D)结构的独特生理化学特性。在有关科学进步的新报告中，西里尔·雷伯(Cyril F. Reboul)和澳大利亚莫纳什大学，韩国首尔国立大学以及美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究团队开发了一种单粒子布朗3-D重建方法。为此，他们使用石墨烯液体电池对胶体纳米晶体的集成体进行成像透射电子显微镜。该团队使用直接电子探测器获得了不同旋转的纳米晶体的投影图像，以获得3-D重建的整体。在这项工作中，他们引入了计算方法，以原子分辨率成功地重建了3D纳米晶体，并通过在整个时间内跟踪单个粒子，同时减去了干扰背景来实现了这一点。该方法还可以识别/拒绝低质量的图像，以促进与生物低温电子显微镜不同的量身定制的2-D / 3-D对准策略。该团队通过称为SINGLE的开源软件包提供了开发成果。免费软件可在GitHub上获得。
使用SINGLE进行晶体学
在过去的50年中，研究人员在晶体学方面取得了持续的进步，以改变对化学和生物学的现有理解。然而，包括可溶的纳米晶体在内的一些靶标对于传统的晶体学方法仍然是棘手的。例如，胶体纳米晶体包含数十至数百个原子，并在多学科领域保持着多种应用包括电子，催化和生物传感器。多功能性来自于合成过程中纳米晶体特性对尺寸，化学组成和其他变量的高度敏感性。通常，科学家在结构生物学中使用单粒子3-D重建来确定蛋白质的结构。该技术是用于溶解的单个纳米晶体的原位3D重建的相对较新的技术。在这项工作中，Reboul等人。已开发SINGLE;一种依靠包括布朗运动在内的可溶解的单个纳米晶体的独立3D重建方法。该技术是一项研究上的先进技术，可以直接从溶液相中解析纳米晶体的3-D原子结构。
SINGLE的概述和工作流程
科学家们引入了新的预处理方法，以改善信噪比(SNR)，以追踪粒子轨迹，同时去除石墨烯引起的背景信号。先进的计算方法可以从原位石墨烯液体电池(GLC)透射电子显微镜数据成功地进行3-D重建。与现有技术相比，这项工作提出了一种空前的计算方法的适用性，该方法可用于以原子分辨率获得分散在溶液中的纳米晶体的3-D重建。他们将SINGLE工作流程分为两个主要步骤(1)预处理和(2)粒子3-D重建。科学家的目标是在任何CPU硬件(包括超级计算机，工作站甚至笔记本电脑)上提供最高的性能和效率。
首先，该团队使用各向异性运动对几帧的时间窗进行平均，以改善信噪比，从而产生可见的颗粒和增强的石墨烯信号。然后，团队在第一时间窗平均值中手动确定了粒子位置。此后，研究小组基于预期的晶体学结构，粒径和组成元素开发了一个初始模型，并生成了带有适合的原子坐标的3-D重建物，用于原子尺度的结构分析。
通过时间跟踪单个粒子
Reboul等。我们介绍了一种新的跟踪方法，该方法使用快速傅里叶变换和相位相关来识别具有亚像素精度的最大相关。团队使用基于总变异(TV)的去噪对提取时间窗口进行去噪并结合了去噪和时间平均功能，以提供一种可靠的方法来跟踪整个样品中各个纳米晶体的运动。该方法使他们能够分辨出纳米晶体的整体形状和/或其晶体特征，这证明了跟踪算法的鲁棒性。使用该方法，他们还恢复了先前具有挑战性的轨迹以获得3-D重建，并在所有图像处理步骤中采用了减去背景的粒子轨迹来减去GLC(石墨烯液体电池)的石墨烯。该团队进一步表征了在石墨烯液体电池高度受限的空间中纳米晶体旋转的性质。由于3-D重建算法的概率性质，该方法非常重要。
产生模型
接下来，研究人员利用粒子具有近似立方原子位置排列的知识，开发了一个初始模型。他们使用5高斯原子散射因子模拟了原子密度。模拟的3-D密度的2-D投影表示纳米晶体核心中投影的特征，以克服与平移对称性和干扰背景信号有关的问题。生物低温电子显微镜中使用的3-D精细化方法不能直接应用于纳米晶体的时间序列数据。因此，Reboul等。引入了重要的修改。他们使用了两步提纯方案来建立纳米晶体的正确形状，以允许原子及其形状驱动3-D对准。研究人员选择了三种尺寸不同的纳米晶体，这些纳米晶体以前没有进行过基准重构，然后使用了Reboul等人的方法制作的原子图。获得了原子级的微观结构细节。
验证3-D重建
研究人员使用分子动力学模拟进一步生成了无序纳米晶体的模型，以了解SINGLE对高度无序纳米晶体的适用性。他们使用多层仿真，应用了平移运动和随机散焦变化来表示逼真的粒子运动。然后，他们从500个模拟图像中获得了无序纳米晶体的3-D密度图，信噪比为0.1，并且其初始模型具有完美的晶序，可以与原始粒子很好地吻合。该小组获得了旋转纳米晶体的投影方向分布，以验证3-D重建的质量，并将需要进一步研究以了解纳米晶体的实际原子结构如何影响旋转动力学。
Cyril F. Reboul和他的同事以这种方式在SINGLE中演示了计算方法，以获得原子分辨率的纳米晶体密度图。该团队使用先进的液体单元配置，例如带有有序纳米腔的石墨烯液体单元，允许控制液体厚度以扩展SINGLE的适用性，从而实现高效的数据采集。SINGLE套件提供了第一个研究有效的高效分析平台，以了解纳米晶体在其天然溶液相中独特的物理和化学性质的结构起源。
