亟待攻克的核心技術(shù)
近日，清華大學(xué)生命科學(xué)院博士生張森森的蛋白樣品9時(shí)準(zhǔn)時(shí)在液氮環(huán)境下進(jìn)入冷凍電鏡。幾天后，埃（10-10）級(jí)精度的蛋白質(zhì)“高清3D彩照”將出爐。研究人員可以“直視”單個(gè)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，并解出生命運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理。
這期間，冷凍電鏡中的電子槍將持續(xù)發(fā)射電子，每次看一個(gè)小單元。為了解釋這個(gè)“小單元”，張森森為科技日?qǐng)?bào)記者示意了一個(gè)“鑷子尖”大小的小金片，“金片上約有200個(gè)左右的均勻小孔，每個(gè)小孔中再分150個(gè)小孔，電子束一次只‘看’其中一個(gè)小孔。”金片類(lèi)似蛋白質(zhì)的“載玻片”，與光學(xué)顯微鏡不同的是，載玻片透光，小金片要透電子，容許電子束透過(guò)樣品時(shí)受到散射。散射信號(hào)被捕捉記錄下來(lái)，計(jì)算后可呈現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)。
透射式電鏡的生產(chǎn)能力是冷凍電鏡制造能力的基礎(chǔ)之一。“國(guó)內(nèi)沒(méi)有一家企業(yè)生產(chǎn)透射式電鏡。”賽默飛公司技術(shù)支持陳寶慶說(shuō)得不假思索，他畢業(yè)于北京大學(xué)地球物理專(zhuān)業(yè)，對(duì)行業(yè)非常了解，他介紹，“之前還有幾個(gè)企業(yè)制造，比如原江南光學(xué)儀器廠現(xiàn)在就不造了。”
能做到單電子束控制的燈絲，只有進(jìn)口
“理論上說(shuō)，只要施加足夠強(qiáng)的電場(chǎng)，電子就會(huì)從材料中‘游’出來(lái)。”陳寶慶說(shuō)。但“游”的狀態(tài)與可以使用的電子狀態(tài)相距甚遠(yuǎn)。
什么樣的電子才能為蛋白質(zhì)拍攝高清3D彩照呢？東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院萬(wàn)克樹(shù)教授描述了理想的狀態(tài)：速度完全一樣的電子，從“源頭”的一個(gè)點(diǎn)上、非常多地發(fā)射出來(lái)。
“這些要求是相互矛盾的。”萬(wàn)克樹(shù)解釋?zhuān)娮訌牟牧媳砻嬉绯?，要發(fā)射電子多，面積就要大，但是面積大了就難以滿(mǎn)足一致性要求。
如果把電子槍想象成一把槍?zhuān)仨氁?ldquo;狙擊”的精度完成機(jī)槍的掃射，“子彈”的角度、速度完全一致。
“電子的能量要做到高度一致，雖還達(dá)不到激光的程度，但也必須是很窄的分布。”陳寶慶解釋?zhuān)娮?ldquo;子彈”一致性是提高圖像分辨率的前提。
為此，電子槍的核心構(gòu)造其實(shí)是一根極細(xì)的“陀螺針”，形似陀螺，尖端卻比針還細(xì)。電子從尖端出發(fā)，在真空的環(huán)境下，前去與大分子“相撞”，進(jìn)而反映出分子構(gòu)象。
“之前的技術(shù)路線是通過(guò)加熱讓電子槍發(fā)射電子，發(fā)射源（俗稱(chēng)“燈絲”）用鎢絲或六硼化鑭，需要2500℃左右，高溫促使電子發(fā)射，但也使電子異?；钴S、難以控制，因此熱發(fā)射電子槍的電鏡精度低。”萬(wàn)克樹(shù)說(shuō)。
“場(chǎng)發(fā)射是通過(guò)高壓電場(chǎng)，把電子從‘燈絲’里拉出來(lái)，室溫下可完成。”萬(wàn)克樹(shù)說(shuō)，“所用燈絲國(guó)內(nèi)沒(méi)有生產(chǎn)，全部依賴(lài)進(jìn)口，每根上萬(wàn)美元左右。”
他提到的常溫場(chǎng)發(fā)射槍?zhuān)ㄐぬ鼗娮訕專(zhuān)┦菍⒀趸喅练e在單晶鎢的晶體的特定面上。FEI公司后來(lái)在電子槍生產(chǎn)上又有了新的突破，將熱和場(chǎng)結(jié)合起來(lái)，穩(wěn)定性進(jìn)一步提升。在清華大學(xué)冷凍電鏡實(shí)驗(yàn)室的儀器介紹中可以看到，一臺(tái)2013年購(gòu)買(mǎi)、2015年到貨的最新型號(hào)電鏡在電子槍一欄標(biāo)明“X-FEG”，有中文翻譯為超穩(wěn)定高亮度電子槍。“所用燈絲在材質(zhì)上與之前的一致，工藝不同能夠使亮度更強(qiáng)。”陳寶慶介紹。
上了郵票的科研成就，被中斷
場(chǎng)發(fā)射的另一個(gè)關(guān)鍵部分是牽拉出電子的外加電場(chǎng)，電場(chǎng)電壓高達(dá)300千伏。“在這樣的高壓下保持電壓穩(wěn)定，才能‘拉’出穩(wěn)定一致的電子，專(zhuān)業(yè)上稱(chēng)為‘單色性好’。”萬(wàn)克樹(shù)說(shuō)。
據(jù)題為《中國(guó)透射式電子顯微鏡發(fā)展的歷程》的文章記載，1963年，我國(guó)就開(kāi)始了高壓100kV電子槍穩(wěn)定因素探討的實(shí)驗(yàn)，1965年完成樣機(jī)，中國(guó)自主研制透射式電鏡于1979年達(dá)到當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平，還專(zhuān)門(mén)為國(guó)產(chǎn)的電子顯微鏡發(fā)行過(guò)紀(jì)念郵票。
該領(lǐng)域的研發(fā)卻由于種種原因一度中斷。“直到幾年前，中國(guó)也試圖重啟這方面的公司，也曾立項(xiàng)想要完成場(chǎng)發(fā)射透射電鏡的自主研發(fā)。”陳寶慶回憶，曾經(jīng)有相關(guān)的科研人員，輾轉(zhuǎn)找到他詢(xún)問(wèn)，為什么FEI公司沒(méi)有相關(guān)專(zhuān)利。
“他們想到的捷徑之一是把生產(chǎn)廠商的專(zhuān)利拿來(lái)參考，但是其中很多生產(chǎn)工藝是秘方級(jí)別的，根本不會(huì)外傳。”陳寶慶說(shuō)。
從“看人影”到“辨雀斑”，中國(guó)研發(fā)沒(méi)使上勁
“如今，中國(guó)只有一家企業(yè)生產(chǎn)掃描電鏡，透射電鏡完全不生產(chǎn)了。”陳寶慶說(shuō)，德國(guó)蔡司公司也停止了透射電鏡的生產(chǎn)，目前世界上生產(chǎn)透射電鏡的廠商只有3家，分別是日本電子、日立、FEI（2016年被賽默飛公司以42億美元收購(gòu)。）
沒(méi)有市場(chǎng)是設(shè)備巨頭紛紛放棄透射電鏡的原因。“透射電鏡之前的清晰度，使得冷凍電鏡在科學(xué)研發(fā)上基本沒(méi)有實(shí)際作用。”陳寶慶說(shuō)?？梢岳斫鉃椋郧爸荒芸辞宄€(gè)人影，現(xiàn)在卻能辨認(rèn)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(shù)精進(jìn)，例如三維重建算法的實(shí)現(xiàn)、樣品制作機(jī)器人的研發(fā)成功等，使得冷凍電鏡的分辨率大規(guī)模提升，成為生命科學(xué)研究的利器。
在冷凍電鏡從“看人影”到“辨雀斑”的發(fā)展歷程中，中國(guó)沒(méi)有使上勁。在冷凍電鏡實(shí)驗(yàn)室中，從耗材到配件都必須進(jìn)口。“加樣臺(tái)10萬(wàn)元一個(gè)、小金片50元一個(gè)、外托150元一個(gè)……”張森森說(shuō)，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，只能等待零件郵寄到貨后進(jìn)行更換。對(duì)于中國(guó)的冷凍電鏡使用者們來(lái)說(shuō)，這樣的體驗(yàn)可能還要持續(xù)不短的時(shí)間。（張佳星）
轉(zhuǎn)自：科技日?qǐng)?bào)
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