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5月29日，清華大學生命科學院博士生張森森的蛋白樣品9時準時在液氮環境下進入冷凍電鏡。幾天後，埃(10-10)級精度的蛋白質“高清3D彩照”将出爐。研究人員(yuán)可以“直視”單個蛋白質的分子結構，并解出生命運轉機理。

這期間，冷凍電鏡中的電子槍将持續發射電子，每次看一個小單元。爲了解釋這個“小單元”，張森森爲科技日報記者示意了一個“鑷子尖”大小的小金片，“金片上約有200個左右的均勻小孔，每個小孔中再分150個小孔，電子束一次隻‘看’其中一個小孔。”金片類似蛋白質的“載玻片”，與光學顯微鏡不同的是(shì)，載玻片透光，小金片要透電子，容許電子束透過樣品時受到散射。散射信号被捕捉記錄下來，計算後可呈現(xiàn)分子結構。

透射式電鏡的生産能力是(shì)冷凍電鏡制造能力的基礎之一。“國内沒有一家企業生産透射式電鏡。”賽默飛公司技術支持陳寶慶說得不假思索，他畢業于北京大學地球物理專業，對行業非常了解，他介紹，“之前還有幾個企業制造，比如原江南光學儀器廠現(xiàn)在就不造了。”

能做到單電子束控制的燈絲，隻有進口

“理論上說，隻要施加足夠強的電場，電子就會從材料中‘遊’出來。”陳寶慶說。但(dàn)“遊”的狀态與可以使用的電子狀态相(xiàng)距甚遠。

什麽樣的電子才能爲蛋白質拍攝高清3D彩照呢?東南大學材料科學與工程學院萬克樹(shù)教授描述了理想的狀态：速度完全一樣的電子，從“源頭”的一個點上、非常多地發射出來。

“這些要求是(shì)相(xiàng)互矛盾的。”萬克樹(shù)解釋，電子從材料表面溢出，要發射電子多，面積就要大，但(dàn)是(shì)面積大了就難以滿足一緻性要求。

如果把電子槍想象成一把槍，它必須以“狙擊”的精度完成機槍的掃射，“子彈”的角度、速度完全一緻。

“電子的能量要做到高度一緻，雖還達不到激光的程度，但(dàn)也必須是(shì)很窄的分布。”陳寶慶解釋，電子“子彈”一緻性是(shì)提高圖像分辨率的前提。

爲此，電子槍的核心構造其實是(shì)一根極細的“陀螺針”，形似陀螺，尖端卻比針還細。電子從尖端出發，在真空的環境下，前去(qù)與大分子“相(xiàng)撞”，進而反映出分子構象。

“之前的技術路線(xiàn)是(shì)通過加熱讓電子槍發射電子，發射源(俗稱“燈絲”)用鎢絲或六硼化镧，需要2500℃左右，高溫促使電子發射，但(dàn)也使電子異常活躍、難以控制，因此熱發射電子槍的電鏡精度低。”萬克樹(shù)說。

　　“場發射是(shì)通過高壓電場，把電子從‘燈絲’裏拉出來，室溫下可完成。”萬克樹(shù)說，“所用燈絲國内沒有生産，全部依賴進口，每根上萬美元左右。”

　　他提到的常溫場發射槍(肖特基電子槍)是(shì)将氧化锆沉積在單晶鎢的晶體的特定面上。FEI公司後來在電子槍生産上又(yòu)有了新的突破，将熱和場結合起來，穩定性進一步提升。在清華大學冷凍電鏡實驗室的儀器介紹中可以看到，一台2013年購買、2015年到貨的最新型号電鏡在電子槍一欄标明“X-FEG”，有中文翻譯爲超穩定高亮度電子槍。“所用燈絲在材質上與之前的一緻，工藝不同能夠使亮度更強。”陳寶慶介紹。

　　上了郵票(piào)的科研成就，被中斷

　　場發射的另一個關鍵部分是(shì)牽拉出電子的外加電場，電場電壓高達300千伏。“在這樣的高壓下保持電壓穩定，才能‘拉’出穩定一緻的電子，專業上稱爲‘單色性好’。”萬克樹(shù)說。

　　據題爲《中國透射式電子顯微鏡發展的曆程》的文章記載，1963年，我國就開始了高壓100kV電子槍穩定因素探讨的實驗，1965年完成樣機，中國自主研制透射式電鏡于1979年達到當時的國際先進水平，還專門爲國産的電子顯微鏡發行過紀念郵票(piào)。

　　該領域的研發卻由于種種原因一度中斷。“直到幾年前，中國也試圖重啓這方面的公司，也曾立項想要完成場發射透射電鏡的自主研發。”陳寶慶回憶，曾經有相(xiàng)關的科研人員(yuán)，輾轉找到他詢問，爲什麽FEI公司沒有相(xiàng)關專利。

　　“他們想到的捷徑之一是(shì)把生産廠商的專利拿來參考，但(dàn)是(shì)其中很多生産工藝是(shì)秘方級别的，根本不會外傳。”陳寶慶說。

　　從“看人影”到“辨雀斑”，中國研發沒使上勁

　　“如今，中國隻有一家企業生産掃描電鏡，透射電鏡完全不生産了。”陳寶慶說，德國蔡司公司也停止了透射電鏡的生産，目前世界上生産透射電鏡的廠商隻有3家，分别是(shì)日本電子、日立、FEI(2016年被賽默飛公司以42億美元收購。)

　　沒有市場是(shì)設備巨頭紛紛放(fàng)棄透射電鏡的原因。“透射電鏡之前的清晰度，使得冷凍電鏡在科學研發上基本沒有實際作用。”陳寶慶說。可以理解爲，以前隻能看清楚個人影，現(xiàn)在卻能辨認清楚臉上的雀斑。

　　除了電子槍的原理變化，冷凍電鏡上其他的技術精進，例如三維重建算法的實現(xiàn)、樣品制作機器人的研發成功等，使得冷凍電鏡的分辨率大規模提升，成爲生命科學研究的利器。

　　在冷凍電鏡從“看人影”到“辨雀斑”的發展曆程中，中國沒有使上勁。在冷凍電鏡實驗室中，從耗材到配件都必須進口。“加樣台10萬元一個、小金片50元一個、外托150元一個??”張森森說，所有匹配冷凍電鏡使用的工具都需要原裝，根本不存在“山寨版”。零件壞了找不到人修理，隻能等待零件郵寄到貨後進行更換。對于中國的冷凍電鏡使用者們來說，這樣的體驗可能還要持續不短的時間。