中国蛋白质3D高清照片还仰赖舶来的透射式电镜

什么卡住了我们的脖子-

我们的蛋白质3D高清照片依靠进口的透射电子显微镜。

亟待克服的核心技术

5月29日上午9点，清华大学生命科学院博士生张森森的蛋白质样品在液氮中准时进入冷冻电子显微镜。几天后，埃及(10-10)级精度的蛋白质“高清3D彩色照片”将会发布。研究人员可以“直接”观察单一蛋白质的分子结构，并找出生命的机制。

在此期间，冷冻电子显微镜中的电子枪将连续发射电子，每次一个小单位。为了解释这个“小单位”，张森森向《科技日报》的记者示意了一小块“镊子尖”的大小，“这块金有大约200个均匀的小孔，每个小孔分成150个小孔，而电子束每次只能“看见”其中一个小孔。”黄金类似于蛋白质的“载玻片”。与光学显微镜不同，载玻片透射光，小金片透射电子，使电子束穿过样品时被散射。散射信号被捕获和记录，分子结构可以在计算后呈现。

透射电镜的生产能力是冷冻电镜生产能力的基础之一。"中国没有企业生产瞬变电磁仪."热电飞行公司的技术支持陈不假思索地说道。他毕业于北京大学地球物理专业，对该行业非常了解。他说，“以前还有其他几家企业生产过，比如以前的江南光学仪器厂，现在已经不生产了。”

可由单电子束控制的灯丝只有一个入口。

“理论上，只要施加足够强的电场，电子就会‘游’出材料。”陈对说:但是“游泳”状态远非可用的电子状态。

什么样的电子设备可以拍摄蛋白质的高清三维彩色照片？东南大学材料科学与工程学院的汪克舒教授描述了理想状态:速度完全相同的电子从“源”点大量发射。

"这些要求是矛盾的。"汪克舒解释说，如果电子从材料表面溢出，如果发射更多的电子，面积将会很大，但是如果面积很大，很难满足一致性要求。

如果你认为电子枪是一把枪，它必须以“狙击手”的精度和“子弹”的角度和速度完成机枪射击。

“电子的能量必须高度一致。虽然它没有达到激光的水平，但它一定很窄。”陈解释说，电子“子弹”的一致性是提高图像分辨率的前提。

由于这个原因，电子枪的核心结构实际上是一个非常薄的“顶针”，形状像一个顶，但其尖端比针薄。从尖端开始，电子在真空环境中与大分子“碰撞”，从而反映出分子的构象。

“以前的技术路线是让电子枪通过加热来发射电子。发射源(通常称为“灯丝”)是钨丝或六硼化镧，需要大约2500℃。高温促进电子发射，但也使电子非常活跃，难以控制。因此，热发射电子枪的电子显微镜精度较低万科树说。

“场发射是在室温下通过高压电场将电子从‘灯丝’中拉出来实现的。”汪克舒说，“所用的灯丝不是在中国生产的，但都依赖进口，每根都要花费数万美元。”

他提到的常温场发射枪(肖特基电子枪)在单晶钨晶体的特定表面沉积氧化锆。FEI公司后来在电子枪的生产上又取得了突破，将热和场结合起来进一步提高了电子枪的稳定性。从清华大学冷冻电子显微镜实验室的仪器介绍中可以看出，2013年购买、2015年交付的最新型号电子显微镜在电子枪一栏标有“X-FEG”，中文翻译为超稳定高亮度电子枪。“所用的灯丝在材料上与以前相同。不同的技术可以让亮度更强。”陈介绍。

邮票上的科研成果被打断了。

场发射的另一个关键部分是产生电子的外加电场，电场电压高达300千伏。“只有在如此高的电压下保持电压稳定，才能拉出稳定一致的电子，这在技术上被称为‘良好的单色性’。”万科树说。

根据《透射电子显微镜在中国的发展历程》一文，1963年，中国开始了一项探索高压100千伏电子枪稳定性因素的实验。原型于1965年完成。1979年，中国自主开发的透射电镜达到了当时的国际先进水平。还专门为国内电子显微镜发行了纪念邮票。

然而，由于各种原因，这一领域的研究和开发中断了。“直到几年前，中国还试图重启该领域的公司，并且还设立了一个项目来完成场发射透射电子显微镜的独立研发。”陈回忆说，当时有相关科研人员向他求助，问为什么费没有相关专利。

“他们想到的捷径之一是参考制造商的专利，但许多制造技术是秘密的，不会公开。”陈对说:

从“看人”到“识别雀斑”，中国的研发并没有做太多努力。

目前，中国只有一家企业生产扫描电子显微镜，透射电子显微镜完全停产陈表示，德国蔡司也已停止生产透射电子显微镜。目前，世界上只有三家透射电子显微镜制造商，即日本电子公司、日立公司和费伊公司(2016年被赛默飞公司以42亿美元收购)。)

没有市场是设备巨头放弃透射电子显微镜的原因。"透射电子显微镜前的透明度使冷冻电子显微镜在科学研究和发展中基本无用."陈对说:可以理解的是，以前只有一个人能清楚地看到自己的身材，但现在一个人能认出自己脸上的雀斑。

除了电子枪的原理改变，冷冻电子显微镜的其他技术进步，如三维重建算法的实现和制样机器人的成功研发，大大提高了冷冻电子显微镜的分辨率，成为生命科学研究的利器。

在冷冻电子显微镜从“看人”到“识别雀斑”的发展过程中，中国并没有做出很大的努力。在冷冻电子显微镜实验室，所有消耗品和附件必须进口。“一张样品台的价格是10万元，一张是50元，一张是150元……”张森森说，所有用于匹配冷冻电子显微镜的工具都必须是原装的，没有“假版本”。这些零件坏了，任何人都不能修理。我们只能等零件寄出后再更换。对于中国的冷冻电子显微镜用户来说，这种经历可能会持续很长时间。