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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 10:59:19 來源:科技日報  作者:
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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時准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。

  透射式電鏡的生產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產透射式電鏡。』賽默飛公司技術支持陳寶慶說得不假思索,他畢業於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』的狀態與可以使用的電子狀態相距甚遠。

  什麼樣的電子纔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。』萬克樹說。

  『場發射是通過高壓電場,把電子從「燈絲」裡拉出來,室溫下可完成。』萬克樹說,『所用燈絲國內沒有生產,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)是將氧化鋯沈積在單晶鎢的晶體的特定面上。FEI公司後來在電子槍生產上又有了新的突破,將熱和場結合起來,穩定性進一步提昇。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,纔能「拉」出穩定一致的電子,專業上稱為「單色性好」。』萬克樹說。

  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於1979年達到當時的國際先進水平,還專門為國產的電子顯微鏡發行過紀念郵票。

  該領域的研發卻由於種種原因一度中斷。『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產廠商的專利拿來參考,但是其中很多生產工藝是秘方級別的,根本不會外傳。』陳寶慶說。

  從『看人影』到『辨雀斑』,中國研發沒使上勁

  『如今,中國只有一家企業生產掃描電鏡,透射電鏡完全不生產了。』陳寶慶說,德國蔡司公司也停止了透射電鏡的生產,目前世界上生產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。』陳寶慶說。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昇,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後進行更換。對於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。(張佳星)

責任編輯:邱浩
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