[发明专利]用于高性能电子显微镜的方法

说明书

提供了用于校正电子显微镜图像(包括cryo‑EM图像)中的一个或多个图像像差的方法。该方法包括获得具有一个或多个已知特性的内部参考网格样本的多个电子显微镜(EM)图像，所述多个电子显微镜图像是针对多个光学条件和针对多个协调的波束‑图像移位而获得的。除了其它特征之外，该方法还尤其可以包括确定像差校正函数，该像差校正函数使用内核规范相关分析(KCCA)来预测被成像的区域中的每个点的像差。

政府支持的承认

本发明是在由美国国立卫生研究院授予的拨款号R01GM117080和R01GM118619下在政府支持下完成的。政府对本发明享有一定的权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年8月9日提交的美国临时申请序列No.62/885,154的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文用于所有目的。

技术领域

本发明性构思针对用于校正电子显微镜中的图像像差的方法。

背景技术

电子显微镜是一种独特的设备，因为它可以对纳米级生物物体进行详细成像。电子显微镜成像之后可以确定被分析的对象的三维结构，直至原子水平，而不需要其它提供生物物质的高分辨率结构的结构生物学的方法所需的高度组织形式的分子物质(例如，晶体或纤维)。但是，三维结构确定的成功和质量受到显微镜成像特性的影响，这些特性在技术上由图像失真、散焦和图像像差的组合来描述，包括从相位板有意引入的影响。虽然有意引入了一些影响，例如散焦或相位板变化，但其它像差被优先地最小化，虽然如果在图像分析和结构确定期间精确校准和校正了这些像差，是不需要这样做的。

像差的最小化是通过应用称为显微镜对准的复杂过程来实现的，该过程尚未完全自动化。电子显微镜对准所固有的是这些像差和失真最小化的成像特性仅在小区域内实现，因此观察到样本的不同部分要求重复的机械平移，这严重阻碍了Cryo-EM单粒子重构或分析(SPA或SPR)中的高效数据收集。目前，SPA方法的使用正在迅速扩大并且SPA相关的硬件的总投资在10亿美元左右。因此，期望用于校正或最小化电子显微镜中的图像像差的附加技术和方法。

发明内容

提供以下简要描述以指示本文公开的主题的性质。虽然下面描述本发明性构思的某些方面，但概述并不旨在限制本发明性构思的范围。

当前公开的方法、系统和装置提供了在包括cryo-EM在内的电子显微镜(EM)中的数据获取之后的计算数据分析期间要被描述、校准和反转的复杂的失真和像差模式。特别地，当前公开的方法提供(1)更详细的(例如，更高分辨率的)结果；(2)更高效的数据获取，使得一台仪器可以在数据获取吞吐量上实现多倍的提升；(3)消除在显微镜对准方面经验不足的用户的挫败感或消除对于高水平专业知识的需求；以及(4)启用涉及相位板和波束倾斜的更多信息性数据收集模式。

根据本公开的一个方面，提供了使用如下来校正EM图像像差，尤其是校正非轴向像差的方法、系统和装置：轴向像差的局部改变的实验获得的校准(映射)和对这些局部改变进行内核规范相关的分析以恢复非轴向像差的全局描述(预测器)。然后可以应用全局预测器来获得远离光轴和偏心高度的任何位置的像差的模式，以在远离光轴的距离处导航图像空间，而不会使像差对数据质量产生影响。虽然常常期望校准全部xy范围的可用波束-图像移位，但不需要校准全部可用范围的z平移。