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直接法做电子显微学的图像处理
  文章来源: 发布时间:2010-04-16 【字号: 小  中  大   

经过九年以后我们怎么样?我们在这四个方向里面其中三个,我们做了一些有一定影响的工作。其中用直接法做电子显微学的图像处理,包括用非公度调制结构测定,包括蛋白质晶体结构分析。

下面我介绍一下电子显微学的图像处理,电子显微学主要的实验工具是分子显微镜,一个物体这里面的物体是覆盖在这个里面的。化学的分子可能很熟悉这个东西,可能别的系的同学看到这个东西有点忘了,这是一个晶胞,晶胞里面有两个不同的分子,如果用电子显微镜做实验,你可以有一张显微图,上面是显微图,可以看一张图,这是电子显微镜的一大特点,别的工具很难有这么一个影响,做不到,它可以做到。但是它有它的缺陷一看张力图,你从这张图认出这个结构来是比较困难的。

有两个问题要解决:第一,这个图是有相差的,也就是说有不一样,跟原来的模样有区别,你先把相差消除掉,这是图像说明的一个部分。第二,你处理完了相差可以得到这么一张图,这张图跟这张图比较接近,但还不是这么一回事。为什么呢?有两个类。这两张照片都是当时世界上水平最高的一个电子显微学实验的专家做出来的。在80年代的时候,没有人拍出比他好的照片,对这个东西。我们问他把这个照片要了,衍射图也要了,要了以后我们就去做处理。这个处理分成两步,叫做两步法图像处理。

第一步先把相差给处理了。第二步从这个图里面得到一部分的相位,只能得一部分,就是靠近原始的部分,外面一个都得不到。但是我们可以用直接法做显微推移,就是把这个和那个合起来,经过第二步我们就可以把原来这样的图变成这张,这张现在一看就很像了。那么这张图有一个过程,就更清楚了。那么你拿着这张图,你很容易就可以把这个结构解释出来了。这张图是当时最高水平的实验像,不可以直接做出来,经过两步处理以后,就可以很轻而易举得出一个结构,这就是我们讲的所谓两步法的电子显微像图。

那么这个程序也是引用率极低,可是不知道什么原因,我们从2006年挂在网上一直到现在,每个礼拜有那么三四个人来拿。累计起来有接近2000人拿过,这2000人分布在哪里?分布在世界上66个国家和地区。拿下去总归有用的吧,北大也有不少人拿。我希望你们继续拿,另外更需要你们不会用的时候找我,我会跟你仔细讲清楚。除了做电子显微镜的图象处理,大家可以看到还可以变戏法。你如果弄得不清楚,弄一个复印件,你拿这个程序我可以给你处理一下,黑字白纸比你原来的原件还清楚一些,不信你们可以试试。不像这上面那么丰富,但是在这点上处理复印件模糊的情况,还是很厉害的,有兴趣你们可以拿来找我试试。

那么第二个就是非公度调制结构处理。先跟大家介绍一下调制结构是什么意思。这是一个晶体的假想模型,晶胞里面有一个原子,那么这是归结的晶体,每一个晶胞都是一样的大小,每一个晶胞的内容都是一样,这是归结的晶体。现在假想一个调剂波,把这个调剂波加到周期性晶体以后,这个原子的高度就受到调制。那么如果那个调制波的波长是T,如果这个t除T,除完以后是零。如果复合地话,底下的跟它一样,那个就是调制,那么就出来是一个超结构。真周期的是T,假周期是t。每个晶胞不一样,有的晶胞原子大,有的晶胞原子小,但是可以把晶胞扩大一倍就解决这个问题了。扩大以后一个晶胞里面放两个原子,然后下面这些晶胞都是跟他们一样的。

那么如果遇到这个情况,这个调制波的T跟晶体原来的t是不一样的,那么出来一看这个报告就不一样了,你就找不到真正的周期。这种情况叫做非公度调整。那么它的衍射图,我画的原来的理想晶体,或者说非公度调制结构平均结构的那个周期。你会发现一些小点,这些微型点自己有周期,但是它的周期跟大的周期是不一样的。那么在他们的晶体衍射出,大家知道衍射出正常的周期性晶体衍射,每个衍射点的指标是三个,那么碰到这种情况就需要加一维,变成了四维晶体,那么要解决这种结构。在我们之前是尝试法,就是先猜他们的调制波什么样的?猜完以后再去上,这个时间强度对比一下,不对再调整,那么这就是尝试法。

尝试法试一下错了再来,就会更清楚,如果错了再来。那么这样的话是没有办法的办法。那么我们觉得应该有更新的,更直接的办法,所以我们用直接法来解决这个问题。那么解决的结果这是一个例子,我们编了一个程序。用这个程序是高温差导体B—2212,就是调制波第四根轴变化的情况,这时候有四根轴,第四根是管调制波的,可以直接看到,金属原子一个波浪,两个原子也可以出得来。这是做的X光的分析,整个是用直接法从头计算的。那么这个程序在当时一直到后来,是世界上唯一一个能够直接推导出非公度调制结构这么一个程序。

这两个程序这是电子显微镜图象处理的程序,这是非公度调制结构的自动解释程序。那么这两个程序我们现在倒在一块儿,可以利用电子显微镜的一些实验信息,来解决非公度调制结构,这是一个例子。这也是日本的,刚才搞的时候,世界上拍得最好一个B—2212电子显微图,下面是他的衍射图,这个是他的衍射图。我们把这两个图搞在一块儿,就可以搞出比这张图好得多的结果。这张图经过处理,我们可以把这部分衍射点再搞清楚。搞完了以后,这部分衍射点可以往外推,推到全部连外面所有的相角都搞清楚,然后整个变化在这里。可以看到这张图是没法分清楚,连金属原子一层一层你都看不清楚,在这里一点都不含糊,这层是B,这层是C,中间是什么?甚至连一个个氧原子都可以看清楚。你用当时世界上最好的技术,也是最好的电子显微镜,拍出来的图如果经过一定的处理,可以得到比他好得多的一个结果。同样的实验结果,如果用别的方法处理是这个结果,用另外一个方法处理,如果那个方法是好的,处理出来的结果就会好得多。就是做完实验以后,不要就到这儿为止了,你应该把实验里面蕴藏的各种信息都得设法把它提出来。你提炼出来就是这么一种水平。

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