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我们的蛋白质3D高清照片仰赖舶来的透射式电镜

导读: 5月29日,清华大学生命科学院博士生张森森的蛋白样品9时准时在液氮环境下进入冷冻电镜。几天后,埃(10-10)级精度的蛋白质“高清3D彩照”将出炉。研究人员可以“直视”单个蛋白质的分子结构,并解出生命运转机理。

5月29日,清华大学生命科学院博士生张森森的蛋白样品9时准时在液氮环境下进入冷冻电镜。几天后,埃(10-10)级精度的蛋白质“高清3D彩照”将出炉。研究人员可以“直视”单个蛋白质的分子结构,并解出生命运转机理。

这期间,冷冻电镜中的电子枪将持续发射电子,每次看一个小单元。为了解释这个“小单元”,张森森为科技日报记者示意了一个“镊子尖”大小的小金片,“金片上约有200个左右的均匀小孔,每个小孔中再分150个小孔,电子束一次只‘看’其中一个小孔。”金片类似蛋白质的“载玻片”,与光学显微镜不同的是,载玻片透光,小金片要透电子,容许电子束透过样品时受到散射。散射信号被捕捉记录下来,计算后可呈现分子结构。

透射式电镜的生产能力是冷冻电镜制造能力的基础之一。“国内没有一家企业生产透射式电镜。”赛默飞公司技术支持陈宝庆说得不假思索,他毕业于北京大学地球物理专业,对行业非常了解,他介绍,“之前还有几个企业制造,比如原江南光学仪器厂现在就不造了。”

能做到单电子束控制的灯丝,只有进口

“理论上说,只要施加足够强的电场,电子就会从材料中‘游’出来。”陈宝庆说。但“游”的状态与可以使用的电子状态相距甚远。

什么样的电子才能为蛋白质拍摄高清3D彩照呢?东南大学材料科学与工程学院万克树教授描述了理想的状态:速度完全一样的电子,从“源头”的一个点上、非常多地发射出来。

“这些要求是相互矛盾的。”万克树解释,电子从材料表面溢出,要发射电子多,面积就要大,但是面积大了就难以满足一致性要求。

如果把电子枪想象成一把枪,它必须以“狙击”的精度完成机枪的扫射,“子弹”的角度、速度完全一致。

“电子的能量要做到高度一致,虽还达不到激光的程度,但也必须是很窄的分布。”陈宝庆解释,电子“子弹”一致性是提高图像分辨率的前提。

为此,电子枪的核心构造其实是一根极细的“陀螺针”,形似陀螺,尖端却比针还细。电子从尖端出发,在真空的环境下,前去与大分子“相撞”,进而反映出分子构象。

“之前的技术路线是通过加热让电子枪发射电子,发射源(俗称“灯丝”)用钨丝或六硼化镧,需要2500℃左右,高温促使电子发射,但也使电子异常活跃、难以控制,因此热发射电子枪的电镜精度低。”万克树说。

“场发射是通过高压电场,把电子从‘灯丝’里拉出来,室温下可完成。”万克树说,“所用灯丝国内没有生产,全部依赖进口,每根上万美元左右。”

他提到的常温场发射枪(肖特基电子枪)是将氧化锆沉积在单晶钨的晶体的特定面上。FEI公司后来在电子枪生产上又有了新的突破,将热和场结合起来,稳定性进一步提升。在清华大学冷冻电镜实验室的仪器介绍中可以看到,一台2013年购买、2015年到货的最新型号电镜在电子枪一栏标明“X-FEG”,有中文翻译为超稳定高亮度电子枪。“所用灯丝在材质上与之前的一致,工艺不同能够使亮度更强。”陈宝庆介绍。

上了邮票的科研成就,被中断

场发射的另一个关键部分是牵拉出电子的外加电场,电场电压高达300千伏。“在这样的高压下保持电压稳定,才能‘拉’出稳定一致的电子,专业上称为‘单色性好’。”万克树说。

据题为《中国透射式电子显微镜发展的历程》的文章记载,1963年,我国就开始了高压100kV电子枪稳定因素探讨的实验,1965年完成样机,中国自主研制透射式电镜于1979年达到当时的国际先进水平,还专门为国产的电子显微镜发行过纪念邮票。

该领域的研发却由于种种原因一度中断。“直到几年前,中国也试图重启这方面的公司,也曾立项想要完成场发射透射电镜的自主研发。”陈宝庆回忆,曾经有相关的科研人员,辗转找到他询问,为什么FEI公司没有相关专利。

“他们想到的捷径之一是把生产厂商的专利拿来参考,但是其中很多生产工艺是秘方级别的,根本不会外传。”陈宝庆说。

从“看人影”到“辨雀斑”,中国研发没使上劲

“如今,中国只有一家企业生产扫描电镜,透射电镜完全不生产了。”陈宝庆说,德国蔡司公司也停止了透射电镜的生产,目前世界上生产透射电镜的厂商只有3家,分别是日本电子、日立、FEI(2016年被赛默飞公司以42亿美元收购。)

没有市场是设备巨头纷纷放弃透射电镜的原因。“透射电镜之前的清晰度,使得冷冻电镜在科学研发上基本没有实际作用。”陈宝庆说。可以理解为,以前只能看清楚个人影,现在却能辨认清楚脸上的雀斑。

除了电子枪的原理变化,冷冻电镜上其他的技术精进,例如三维重建算法的实现、样品制作机器人的研发成功等,使得冷冻电镜的分辨率大规模提升,成为生命科学研究的利器。

在冷冻电镜从“看人影”到“辨雀斑”的发展历程中,中国没有使上劲。在冷冻电镜实验室中,从耗材到配件都必须进口。“加样台10万元一个、小金片50元一个、外托150元一个……”张森森说,所有匹配冷冻电镜使用的工具都需要原装,根本不存在“山寨版”。零件坏了找不到人修理,只能等待零件邮寄到货后进行更换。对于中国的冷冻电镜使用者们来说,这样的体验可能还要持续不短的时间。

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