在冷冻电镜技术的应用中，电子直接探测相机（electron direct detection device，简称 DDD）的出现，使得高分辨率结构研究变得更加简便且广泛应用。这项技术的革新为科学研究带来了巨大的突破。本文将详细介绍 DDD 相机的工作原理和技术优势，并分享其在解决冷冻电镜技术难题方面的具体应用。此外，我们将展望 DDD 相机在未来可能为冷冻电镜技术应用带来的突破性进展。
现代电子直接传感器的发展得益于数码相机中有源像素传感器 (active pixel sensor，APS) 以及互补金属氧化物半导体 CMOS (complementary metal oxide semiconductor，CMOS) 技术。DDD 相机利用这些技术，每个像素内置独立的信号放大器，可以分别进行电荷-电压的转换。因此，这种设计不仅提高了入射电子的探测效率，同时也大幅度提升了像素的读写速度。此外，再结合特殊线路布局，能够很好地承受电镜入射的高能电子。
DDD 相机常用的成像模式主要包括三种：积分模式 (integrating mode)、计数模式 (counting mode) 和超分辨率模式 (super-resolution mode)。用户可根据自身需求和计算设备的图像处理能力，选择最佳的成像模式。这些模式的共同优点是可以通过视频模式 (movie mode) 对同一区域进行多帧成像，然后结合图像处理软件，校正由于电子束相互作用或样品台不稳定带来的成像漂移。
DDD相机的技术优势
对单颗粒技术的促进：
DDD 相机的应用显著促进了单颗粒技术的发展。对于高对称性样品而言，使用 DDD 相机进行数据收集不仅能获取高分辨率图像，还显著减少了所需的样品颗粒数和数据采集时间。
对冷冻电子断层技术的促进：
电子断层成像对单个对象（例如病毒、细菌、复合物和细胞等）从多个角度进行二维成像，并整合重构成三维结构图。在研究非定形、不对称或不具全同性的生物样品的三维结构和功能方面，电子断层成像具有不可替代的重要角色。不过，由于需要对同一区域进行多次曝射，增加了电子剂量，可能会导致电子损伤。
对二维高分辨成像的促进：
在二维高分辨率成像方面，传统的超薄切片技术通常依靠固定、脱水和包埋等化学处理，以及化学染色来增强图像反差。然而，这些处理方法可能会损坏样品并在电镜下形成假象，同时分辨率也仅能达到几个纳米的水平。后来冷冻超薄切片技术逐渐成熟，使生物材料快速冰冻法固定和在－185～－15℃环境下进行超薄切片成为可能，从而使水合样品得以保持或接近其原始活体状态，防止可溶性物质的抽取、流失和移位，保持了生物大分子的活性，并大大缩短了样品的制备时间。
配准平均处理前后的轮状病毒冷冻电镜图(DE12 相机)
(A) 没有配准、直接叠加的图像模糊，边缘不清；
(B) 配准处理后再叠加的图像清晰，病毒突起明显。图修改自参考文献，标尺为 50 nm
结合 DDD 相机，冷冻电镜技术大大提升了高分辨率结构的解析能力。它不仅能够解析高对称性样品，还可以应用于没有对称性的样品，并进一步降低了研究对象的分子量下限，使得难以结晶的蛋白质（如生物体内非常重要的膜蛋白等）的结构解析变得更为顺利。冷冻电子显微镜 (Cryo-EM) 技术通过将样品在低温下快速冷冻，使其处于无定形玻璃态冰层内，同时减少了电子辐射的破坏。这一技术在保障高真空度要求的同时，成为高分辨率观察水合样品原始结构的最先进手段，广泛应用于生物和材料等领域。
著名结构生物学家 Rossmann 也指出，由于成熟的 DDD 相机的应用，冷冻电镜技术正逐渐成为结构生物学研究的主要工具。因此，我们有理由相信，这一结构解析方法将在生物学领域发挥更为重要的作用。
引用：柳正,张景强.结构生物学研究方法的重大突破——电子直接探测相机在冷冻电镜中的应用[J].生物物理学报,2014,30(06):405-415+402.
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