Single particle analysis
एकल कण विश्लेषण संचरण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी (टी. ई. एम.) से छवियों का विश्लेषण करने के लिए उपयोग की जाने वाली संबंधित कम्प्यूटरीकृत छवि प्रसंस्करण तकनीकों का एक समूह है। इन विधियों को कण नमूनों, आमतौर पर प्रोटीन या वायरस जैसे अन्य बड़े जैविक घटकों की टी. ई. एम. छवियों से प्राप्त जानकारी को बेहतर बनाने और विस्तारित करने के लिए विकसित किया गया था। दागदार या दागहीन कणों की अलग-अलग छवियाँ बहुत शोर मचाती हैं, और उनकी व्याख्या करना इतना कठिन है। समान कणों की कई डिजिटल छवियों को एक साथ जोड़ने से मजबूत और अधिक आसानी से व्याख्या करने योग्य विशेषताओं वाली छवि मिलती है। इस तकनीक का विस्तार कण के त्रि-आयामी पुनर्निर्माण का निर्माण करने के लिए एकल कण विधियों का उपयोग करता है। क्रायो-इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके उप-नैनोमीटर रिज़ॉल्यूशन और निकट-परमाणु रिज़ॉल्यूशन के साथ पुनर्निर्माण उत्पन्न करना संभव हो गया है, पहले अत्यधिक सममित वायरस के मामले में, और अब छोटे, असममित प्रोटीन में भी। एकल कण विश्लेषण प्रेरित युग्मित प्लाज्मा द्रव्यमान स्पेक्ट्रोस्कोपी (आई. सी. पी.-एम. एस.) द्वारा भी किया जा सकता है। तकनीक एकल कण विश्लेषण नकारात्मक रूप से दागदार और कांचदार बर्फ-एम्बेडेड संचरण इलेक्ट्रॉन क्रायोमाइक्रोस्कोपी (क्रायोटीईएम) दोनों नमूनों पर किया जा सकता है। एकल कण विश्लेषण विधियाँ, सामान्य रूप से, नमूने के सजातीय होने पर निर्भर हैं, हालाँकि संरचनात्मक विषमता से निपटने के लिए तकनीकें विकसित की जा रही हैं। छवियों (माइक्रोग्राफ) को एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के साथ चार्ज-युग्मित उपकरण (सी. सी. डी.) डिटेक्टरों का उपयोग करके एक फॉस्फोरेसेंट परत के साथ जोड़ा जाता है (अतीत में, उन्हें फिल्म पर एकत्र किया जाता था और उच्च गुणवत्ता वाले स्कैनर का उपयोग करके डिजिटल किया जाता था)। छवि प्रसंस्करण विशेष सॉफ्टवेयर प्रोग्रामों का उपयोग करके किया जाता है, जो अक्सर बहु-प्रोसेसर कंप्यूटर समूहों पर चलते हैं। नमूना या वांछित परिणामों के आधार पर, द्वि-या त्रि-आयामी प्रसंस्करण के विभिन्न चरण किए जा सकते हैं। इसके अलावा, एकल कण विश्लेषण को आई. सी. पी.-एम. एस. इकाई का उपयोग करके व्यक्तिगत कण मोड में भी किया जा सकता है। संरेखण और वर्गीकरण जैविक नमूने, और विशेष रूप से पतली कांच की बर्फ में एम्बेडेड नमूने, अत्यधिक विकिरण संवेदनशील होते हैं, इस प्रकार नमूने की छवि बनाने के लिए केवल कम इलेक्ट्रॉन खुराक का उपयोग किया जा सकता है। यह कम खुराक, साथ ही उपयोग किए गए धातु के दाग में भिन्नता (यदि उपयोग किया जाता है) का मतलब है कि छवियों में देखे जा रहे कण द्वारा दिए गए संकेत के सापेक्ष उच्च शोर होता है। कई समान छवियों को एक दूसरे के साथ संरेखित करके ताकि वे रजिस्टर में हों और फिर उन्हें औसत करके, उच्च संकेत-से-शोर अनुपात वाली छवि प्राप्त की जा सकती है। चूंकि शोर ज्यादातर यादृच्छिक रूप से वितरित किया जाता है और अंतर्निहित छवि स्थिर होती है, इसलिए कई छवियों पर प्रत्येक पिक्सेल की तीव्रता को औसत करके केवल स्थिर विशेषताओं को प्रबलित किया जाता है। आमतौर पर, एक छवि को दूसरी पर मैप करने के लिए इष्टतम संरेखण (एक अनुवाद और एक इन-प्लेन रोटेशन) की गणना क्रॉस-सहसंबंध द्वारा की जाती है। हालांकि, एक माइक्रोग्राफ में अक्सर कई अलग-अलग अभिविन्यास और/या संरचनाओं में कण होते हैं, और इसलिए अधिक प्रतिनिधि छवि औसत प्राप्त करने के लिए, समान कण छवियों को कई सेटों में एक साथ समूहित करने के लिए एक विधि की आवश्यकता होती है। यह आम तौर पर कई डेटा विश्लेषण और छवि वर्गीकरण एल्गोरिदम में से एक का उपयोग करके किया जाता है, जैसे कि बहु-प्रकार सांख्यिकीय विश्लेषण और पदानुक्रमित आरोही वर्गीकरण, या के-मीन्स क्लस्टरिंग। अक्सर हजारों कण छवियों के डेटा सेट का उपयोग किया जाता है, और एक इष्टतम समाधान तक पहुंचने के लिए संरेखण और वर्गीकरण की एक पुनरावृत्ति प्रक्रिया का उपयोग किया जाता है, जिससे वर्गीकरण द्वारा उत्पादित मजबूत छवि औसत का उपयोग पूरे डेटा सेट के बाद के संरेखण के लिए संदर्भ छवियों के रूप में किया जाता है। छवि फ़िल्टरिंग (बैंड-पास फ़िल्टरिंग) का उपयोग अक्सर छवियों में उच्च और/या कम स्थानिक आवृत्ति जानकारी के प्रभाव को कम करने के लिए किया जाता है, जो संरेखण और वर्गीकरण प्रक्रियाओं के परिणामों को प्रभावित कर सकता है। यह विशेष रूप से नकारात्मक दाग छवियों में उपयोगी है। एल्गोरिदम तेज फूरियर परिवर्तन (एफ. एफ. टी.) का उपयोग करते हैं, जो अक्सर कुछ आवृत्ति श्रेणियों को दबाने के लिए पारस्परिक स्थान में गौसियन आकार के नरम-धार वाले मास्क का उपयोग करते हैं। हाई-पास फिल्टर कम स्थानिक आवृत्तियों (जैसे रैंप या ढाल प्रभाव) को हटा देते हैं, जिससे उच्च आवृत्तियाँ बरकरार रहती हैं। लो-पास फिल्टर उच्च स्थानिक आवृत्ति सुविधाओं को हटा देते हैं और बारीक विवरणों पर धुंधला प्रभाव डालते हैं। कंट्रास्ट ट्रांसफर फंक्शन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप में छवि निर्माण की प्रकृति के कारण, महत्वपूर्ण अंडरफोकस का उपयोग करके ब्राइट-फील्ड टीईएम छवियां प्राप्त की जाती हैं। यह, सूक्ष्मदर्शी के लेंस प्रणाली में निहित विशेषताओं के साथ, एक बिंदु प्रसार कार्य के रूप में दिखाई देने वाली एकत्रित छवियों की धुंधलापन पैदा करता है। इमेजिंग स्थितियों के संयुक्त प्रभावों को कंट्रास्ट ट्रांसफर फंक्शन (सी. टी. एफ.) के रूप में जाना जाता है, और गणितीय रूप से पारस्परिक स्थान में एक कार्य के रूप में अनुमानित किया जा सकता है। चरण फ़्लिपिंग और आयाम सुधार/वीनर फ़िल्टरिंग जैसी विशेष छवि प्रसंस्करण तकनीकें सी. टी. एफ. के लिए (कम से कम आंशिक रूप से) सही हो सकती हैं, और उच्च रिज़ॉल्यूशन पुनर्निर्माण की अनुमति देती हैं। त्रि-आयामी पुनर्निर्माण संचरण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी छवियाँ चिकित्सा एक्स-रे के समान वस्तु के माध्यम से घनत्व के वितरण को दिखाने वाली वस्तु के अनुमान हैं। प्रक्षेपण-टुकड़ा प्रमेय का उपयोग करके देखने के कोणों की एक श्रृंखला से ली गई वस्तु की कई छवियों (2 डी अनुमानों) को मिलाकर वस्तु का त्रि-आयामी पुनर्निर्माण किया जा सकता है। कांच की बर्फ में प्रोटीन आदर्श रूप से अभिविन्यास (या देखने के कोण) के यादृच्छिक वितरण को अपनाते हैं, जिससे बड़ी संख्या में कण छवियों का उपयोग किए जाने पर काफी समस्थानिक पुनर्निर्माण की अनुमति मिलती है। यह इलेक्ट्रॉन टोमोग्राफी के विपरीत है, जहां नमूना/इमेजिंग सेट अप की ज्यामिति के कारण देखने के कोण सीमित हैं, जो एक अनिसोट्रोपिक पुनर्निर्माण देता है। फ़िल्टर्ड बैक प्रोजेक्शन एकल कण विश्लेषण में 3डी पुनर्निर्माण उत्पन्न करने की एक सामान्य रूप से उपयोग की जाने वाली विधि है, हालांकि कई वैकल्पिक एल्गोरिदम मौजूद हैं। पुनर्निर्माण करने से पहले, प्रत्येक छवि में वस्तु के अभिविन्यास का अनुमान लगाने की आवश्यकता होती है। प्रत्येक छवि के सापेक्ष यूलर कोणों का पता लगाने के लिए कई विधियाँ विकसित की गई हैं। कुछ सामान्य रेखाओं (सामान्य 1डी प्रक्षेपण और साइनोग्राम) पर आधारित हैं, अन्य पुनरावृत्ति प्रक्षेपण मिलान एल्गोरिदम का उपयोग करते हैं। उत्तरार्द्ध एक सरल, कम रिज़ॉल्यूशन वाले 3डी प्रारंभिक मॉडल के साथ शुरुआत करके काम करता है और प्रयोगात्मक छवियों की तुलना मॉडल के अनुमानों से करता है और एक समाधान की ओर बूटस्ट्रैप करने के लिए एक नया 3डी बनाता है। अंतर्निहित पेचदार समरूपता का लाभ उठाते हुए पेचदार नमूनों (जैसे तंबाकू मोज़ेक वायरस) के 3डी पुनर्निर्माण के लिए भी तरीके उपलब्ध हैं। इन नमूनों के लिए दोनों वास्तविक अंतरिक्ष विधियों (हेलिक्स के वर्गों को एकल कणों के रूप में मानते हुए) और पारस्परिक अंतरिक्ष विधियों (विवर्तन पैटर्न का उपयोग करते हुए) का उपयोग किया जा सकता है। झुकाव विधियाँ सूक्ष्मदर्शी के नमूना चरण को झुकाया जा सकता है (आमतौर पर एक ही अक्ष के साथ), जिससे एकल कण तकनीक को यादृच्छिक शंक्वाकार झुकाव के रूप में जाना जाता है। नमूना के एक क्षेत्र को शून्य और उच्च कोण (~ 60-70 डिग्री) झुकाव दोनों पर, या ऑर्थोगोनल झुकाव पुनर्निर्माण की संबंधित विधि के मामले में, + 45 और-45 डिग्री पर चित्रित किया जाता है। दो अलग-अलग झुकाव (झुकाव जोड़े) पर एक ही वस्तु के अनुरूप कणों के जोड़े का चयन किया जाता है, और बाद के संरेखण और वर्गीकरण चरणों में उपयोग किए जाने वाले मापदंडों का पालन करके एक त्रि-आयामी पुनर्निर्माण अपेक्षाकृत आसानी से उत्पन्न किया जा सकता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि प्रत्येक कण का देखने का कोण (तीन यूलर कोणों के रूप में परिभाषित) झुकाव ज्यामिति से जाना जाता है। यादृच्छिक शंक्वाकार झुकाव से 3डी पुनर्निर्माण अभिविन्यास की एक सीमित श्रृंखला के परिणामस्वरूप लापता जानकारी से पीड़ित हैं। लापता शंकु के रूप में जाना जाता है (पारस्परिक स्थान में आकार के कारण), यह 3डी मानचित्रों में विकृतियों का कारण बनता है। हालांकि, लापता शंकु समस्या को अक्सर कई झुकाव पुनर्निर्माणों को मिलाकर दूर किया जा सकता है। झुकाव विधियाँ नकारात्मक रूप से दाग वाले नमूनों के लिए सबसे उपयुक्त हैं, और इनका उपयोग उन कणों के लिए किया जा सकता है जो पसंदीदा अभिविन्यास में कार्बन समर्थन फिल्म को अवशोषित करते हैं। चार्जिंग या बीम-प्रेरित आंदोलन के रूप में जानी जाने वाली घटना कांच की बर्फ में नमूनों की उच्च-झुकाव वाली छवियों को एकत्र करना चुनौतीपूर्ण बनाती है। मानचित्र दृश्य और फिटिंग विभिन्न सॉफ्टवेयर प्रोग्राम उपलब्ध हैं जो 3डी मानचित्रों को देखने की अनुमति देते हैं। ये अक्सर उपयोगकर्ता को इलेक्ट्रॉन घनत्व में उप-इकाइयों के प्रोटीन निर्देशांक (एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी या एन. एम. आर. से संरचनाएं) में मैन्युअल रूप से डॉक करने में सक्षम बनाते हैं। कई कार्यक्रम उप-इकाइयों को कम्प्यूटेशनल रूप से भी फिट कर सकते हैं। एकल कण आई. सी. पी.-एम. एस. एकल कण-प्रेरित युग्मित प्लाज्मा-द्रव्यमान स्पेक्ट्रोस्कोपी (एस. पी.-आई. सी. पी.-एम. एस.) का उपयोग कई क्षेत्रों में किया जाता है जहां पर्यावरणीय तरल पदार्थों के नमूनों में निलंबित कणों का पता लगाने और उनकी मात्रा निर्धारित करने, उनके प्रवास का आकलन करने, कणों के आकार और उनके वितरण का आकलन करने और दिए गए वातावरण में उनकी स्थिरता का निर्धारण करने की संभावना है। एस. पी.-आई. सी. पी.-एम. एस. को 2000 में क्लाउड डेगुएलड्रे द्वारा कण निलंबन के लिए डिज़ाइन किया गया था। उन्होंने पहली बार जिनेवा विश्वविद्यालय के फोरेल संस्थान में इस नई पद्धति का परीक्षण किया और ई. एम. आर. एस. की वसंत 2002 की बैठक के दौरान 'कोलॉइड 2ओओ2' संगोष्ठी में और 2003 में कार्यवाही में इस नए विश्लेषणात्मक दृष्टिकोण को प्रस्तुत किया। यह अध्ययन एस. पी. आई. सी. पी.-एम. एस. के सिद्धांत और मिट्टी के कणों (मॉन्टमोरिलोनाइट) के साथ-साथ कोलॉइड के अन्य निलंबन पर किए गए परीक्षणों के परिणामों को प्रस्तुत करता है। इस विधि का परीक्षण थोरियम डाइऑक्साइड नैनोपार्टिकल्स पर डेगुएलड्रे एंड फेवर्जर (2004), ज़िरकोनियम डाइऑक्साइड पर डेगुएलड्रे एट अल (2004) और गोल्ड नैनोपार्टिकल्स द्वारा किया गया था, जिनका उपयोग नैनोफार्मेसी में सब्सट्रेट के रूप में किया जाता है, और डेगुएलड्रे एट अल (2006) द्वारा प्रकाशित किया गया था। इसके बाद, यूरेनियम डाइऑक्साइड नैनो-और सूक्ष्म कणों के अध्ययन ने एक विस्तृत प्रकाशन, रेफ को जन्म दिया। डीगुएलड्रे एट अल (2006)। 2010 से एस. पी. आई. सी. पी.-एम. एस. के लिए रुचि में विस्फोट हुआ है। उदाहरण प्रोटीन संश्लेषण, लिगैंड बाइंडिंग और आर. एन. ए. अंतःक्रिया पर महत्वपूर्ण जानकारी इस नई तकनीक का उपयोग करके 7.5 से 25 ए. के मध्यम संकल्पों पर प्राप्त की जा सकती है। मेथेनोकोकस मैरिपालुडिस चैपेरोनिन, 0.83 नैनोमीटर रिज़ॉल्यूशन के लिए पुनर्निर्मित। यह बैक्टीरियल प्रोटीन कॉम्प्लेक्स अन्य प्रोटीनों को मोड़ने के लिए एक मशीन है, जो खोल के भीतर फंस जाते हैं। 0. 09 नैनोमीटर रिज़ॉल्यूशन पर खमीर से फैटी एसिड सिंथेस। यह विशाल एंजाइम परिसर कोशिकीय जीवन के लिए आवश्यक लंबी श्रृंखला वाले फैटी एसिड के निर्माण के लिए जिम्मेदार है। एक्वेरियोवायरस का 0.33 नैनोमीटर पुनर्निर्माण। ये वायरस मछलियों और अन्य जलीय जानवरों को संक्रमित करते हैं। पुनर्निर्माण में एमिनो एसिड साइड चेन घनत्व आसानी से दिखाई देने के लिए पर्याप्त उच्च रिज़ॉल्यूशन है। प्राथमिक डेटाबेस ई. एम. डेटा बैंक (ई. एम. डेटा बैंक) संदर्भ बाहरी लिंक सूक्ष्मदर्शी प्रोटीन संरचना छवि प्रसंस्करण