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中國蛋白質3D高清照片仰賴舶來的透射式電鏡
2018-06-06 09:42:44 來源: 科技日報
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  亟待攻克的核心技術

  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”將出爐。研究人員可以“直視”單個蛋白質的分子結構,並解出生命運轉機理。

  這期間,冷凍電鏡中的電子槍將持續發射電子,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。”金片類似蛋白質的“載玻片”,與光學顯微鏡不同的是,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,計算後可呈現分子結構。

  透射式電鏡的生産能力是冷凍電鏡制造能力的基礎之一。“國內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説得不假思索,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在就不造了。”

  能做到單電子束控制的燈絲,只有進口

  “理論上説,只要施加足夠強的電場,電子就會從材料中‘遊’出來。”陳寶慶説。但“遊”的狀態與可以使用的電子狀態相距甚遠。

  什麼樣的電子才能為蛋白質拍攝高清3D彩照呢?東南大學材料科學與工程學院萬克樹教授描述了理想的狀態: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。

  “這些要求是相互矛盾的。”萬克樹解釋,電子從材料表面溢出,要發射電子多,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,電子槍的核心構造其實是一根極細的“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,前去與大分子“相撞”,進而反映出分子構象。

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

  “場發射是通過高壓電場,把電子從‘燈絲’裏拉出來,室溫下可完成。”萬克樹説,“所用燈絲國內沒有生産,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)是將氧化鋯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有了新的突破,將熱和場結合起來,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,一臺2013年購買、2015年到貨的最新型號電鏡在電子槍一欄標明“X-FEG”,有中文翻譯為超穩定高亮度電子槍。“所用燈絲在材質上與之前的一致,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

  場發射的另一個關鍵部分是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’出穩定一致的電子,專業上稱為‘單色性好’。”萬克樹説。

  據題為《中國透射式電子顯微鏡發展的歷程》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年達到當時的國際先進水平,還專門為國産的電子顯微鏡發行過紀念郵票。

  該領域的研發卻由于種種原因一度中斷。“直到幾年前,中國也試圖重啟這方面的公司,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,曾經有相關的科研人員,輾轉找到他詢問,為什麼FEI公司沒有相關專利。

  “他們想到的捷徑之一是把生産廠商的專利拿來參考,但是其中很多生産工藝是秘方級別的,根本不會外傳。”陳寶慶説。

  從“看人影”到“辨雀斑”,中國研發沒使上勁

  “如今,中國只有一家企業生産掃描電鏡,透射電鏡完全不生産了。”陳寶慶説,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研發上基本沒有實際作用。”陳寶慶説。可以理解為,以前只能看清楚個人影,現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、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,成為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……”張森森説,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後進行更換。對于中國的冷凍電鏡使用者們來説,這樣的體驗可能還要持續不短的時間。(張佳星)

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【糾錯】 責任編輯: 張樵蘇
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