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時準(zhǔn)時在液氮環(huán)境下進(jìn)入冷凍電鏡。幾天后，埃（10-10）級精度的蛋白質(zhì)“高清3D彩照”將出爐。研究人員可以“直視”單個蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，并解出生命運轉(zhuǎn)機理。
這期間，冷凍電鏡中的電子槍將持續(xù)發(fā)射電子，每次看一個小單元。為了解釋這個“小單元”，張森森為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，電子束一次只‘看’其中一個小孔。”金片類似蛋白質(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，容許電子束透過樣品時受到散射。散射信號被捕捉記錄下來，計算后可呈現(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。“國內(nèi)沒有一家企業(yè)生產(chǎn)透射式電鏡。”賽默飛公司技術(shù)支持陳寶慶說得不假思索，他畢業(yè)于北京大學(xué)地球物理專業(yè)，對行業(yè)非常了解，他介紹，“之前還有幾個企業(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，只要施加足夠強的電場，電子就會從材料中‘游’出來。”陳寶慶說。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)院萬克樹教授描述了理想的狀態(tài)：速度完全一樣的電子，從“源頭”的一個點上、非常多地發(fā)射出來。
“這些要求是相互矛盾的。”萬克樹解釋，電子從材料表面溢出，要發(fā)射電子多，面積就要大，但是面積大了就難以滿足一致性要求。
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，電子“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)路線是通過加熱讓電子槍發(fā)射電子，發(fā)射源（俗稱“燈絲”）用鎢絲或六硼化鑭，需要2500℃左右，高溫促使電子發(fā)射，但也使電子異常活躍、難以控制，因此熱發(fā)射電子槍的電鏡精度低。”萬克樹說。
“場發(fā)射是通過高壓電場，把電子從‘燈絲’里拉出來，室溫下可完成。”萬克樹說，“所用燈絲國內(nèi)沒有生產(chǎn)，全部依賴進(jìn)口，每根上萬美元左右。”
他提到的常溫場發(fā)射槍（肖特基電子槍）是將氧化鋯沉積在單晶鎢的晶體的特定面上。FEI公司后來在電子槍生產(chǎn)上又有了新的突破，將熱和場結(jié)合起來，穩(wěn)定性進(jìn)一步提升。在清華大學(xué)冷凍電鏡實驗室的儀器介紹中可以看到，一臺2013年購買、2015年到貨的最新型號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。”陳寶慶介紹。
上了郵票的科研成就，被中斷
場發(fā)射的另一個關(guān)鍵部分是牽拉出電子的外加電場，電場電壓高達(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，專業(yè)上稱為‘單色性好’。”萬克樹說。
據(jù)題為《中國透射式電子顯微鏡發(fā)展的歷程》的文章記載，1963年，我國就開始了高壓100kV電子槍穩(wěn)定因素探討的實驗，1965年完成樣機，中國自主研制透射式電鏡于1979年達(dá)到當(dāng)時的國際先進(jìn)水平，還專門為國產(chǎn)的電子顯微鏡發(fā)行過紀(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，中國也試圖重啟這方面的公司，也曾立項想要完成場發(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)找到他詢問，為什么FEI公司沒有相關(guān)專利。
“他們想到的捷徑之一是把生產(chǎn)廠商的專利拿來參考，但是其中很多生產(chǎn)工藝是秘方級別的，根本不會外傳。”陳寶慶說。
從“看人影”到“辨雀斑”，中國研發(fā)沒使上勁
“如今，中國只有一家企業(yè)生產(chǎn)掃描電鏡，透射電鏡完全不生產(chǎn)了。”陳寶慶說，德國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。）
沒有市場是設(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)上基本沒有實際作用。”陳寶慶說?？梢岳斫鉃?，以前只能看清楚個人影，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現(xiàn)、樣品制作機器人的研發(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，中國沒有使上勁。在冷凍電鏡實驗室中，從耗材到配件都必須進(jìn)口。“加樣臺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，只能等待零件郵寄到貨后進(jìn)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(xù)不短的時間。（張佳星）
轉(zhuǎn)自：科技日報
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