發展我國電子顯微鏡產業需循序漸進——訪軍事醫學科學院國家生物...

由於光具有波動性，其衍射現象限制了光學顯微鏡分辨本領的進一步提高，所以觀察尺度在200nm以下的物體幾乎是光學顯微不可逾越的鴻溝，這時就需要波長更短的發射源來「照亮」被觀察物體。1932年德國柏林工科大學的年輕研究員盧斯卡率先想到利用電子束進行成像並製成了世界上第一臺電子顯微鏡，50多年後終於得到科學界的認可並因此獲得了諾貝爾獎。電子顯微鏡的發明為人類探索微觀世界開啟了一扇大門。

近年來各種病毒如SARS冠狀病毒、禽流感（H5N1）病毒、以及目前正在蔓延的甲型H1N1型病毒等不斷威脅著人類的健康和生命。人類在抗病毒過程中關鍵要研究病毒、了解病毒，才能夠採取進一步應對措施；電子顯微鏡是目前研究病毒的最有效工具。

張德添教授1965年從中國科技大學核物理專業畢業後進入軍事科學醫學院工作，先後10次參與了我國核爆炸實驗。80年後從事了兩年教學任務，然後組建電子顯微鏡實驗室，一幹就是29年，大部分時間在進行常規細胞生物學觀察。期間張教授還研究了肌細胞中鈣流失的分析，例如研究爪蟾、小鼠、大鼠以及兔子等在超負荷運動過程中骨骼肌細胞中鈣離子濃度變化規律，主要是利用超低溫快速冷凍超薄切片技術及電子顯微鏡X射線微區分析方法，獲得了大量寶貴的數據；並從肌膜受損、肌漿網調控以及線粒體調控理論等方面對實驗結果進行了分析。當時世界上只有少數發達國家的肌肉研究所在進行這方面的研究，該工作對極端條件下肌細胞中鈣離子分布情況進行了探索性研究，在科學地設定運動量、保護骨骼肌以及預防高原缺氧引起的猝死等方面具有重要意義。

 

軍事科學醫學院國家生物醫學分析中心張德添教授

這次我們很榮幸採訪了軍事醫學科學院在電子顯微學一線工作近30年的張德添教授，請他來談談電子顯微鏡相關的一些問題以及我國電鏡產業化的一些情況。

一、提高解析度一直是電子顯微鏡的主要發展方向

 

透射電鏡（TEM）照片：冠狀病毒(SARS)

 

掃描電鏡（SEM）照片：支氣管上皮細胞及其纖毛

 

張德添教授首先為我們講述了目前電子顯微鏡的一些特點、種類、應用領域及前沿技術。

目前電子顯微鏡主要應用的兩個領域是材料科學和生命科學。在材料科學領域主要是進行成份與結構分析以及納米材料的形貌觀察，要求高解析度的電子顯微鏡；在生命科學主要研究細胞、病毒、生化物質定位、生物大分子等，要求中等解析度的電子顯微鏡。

電子顯微鏡具有很高的解析度，比如目前的透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)的解析度分別達到0.07nm和0.4nm；另外電子顯微鏡放大倍數範圍寬，透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)的放大倍數範圍都能達到幾十~幾百萬倍以上。

電子顯微鏡的種類很多，根據不同功能和特點有各自的實用範圍。按照大類分目前市場上主要有掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、掃描透射電子顯微鏡等。

掃描電子顯微鏡主要是觀察物體的表面形貌，能夠直接觀察樣品表面的結構，也可以從各種角度對樣品進行觀察，樣品製備過程簡單。掃描電子顯微鏡有普通電子顯微鏡、分析型掃描電子顯微鏡和場發射槍掃描電子顯微鏡。

透射電子顯微鏡是電子束透過樣品經過聚焦與放大後產生物像，由於電子易散射或被吸收，用於透射電子顯微鏡的樣品必須經過專業的手段使樣品厚度在100納米範圍內，透射電子顯微鏡可以直接觀察重原子的像。

透射電子顯微鏡有像差校正電子顯微鏡、原子尺度電子全息顯微鏡、超高壓電子顯微鏡、場發射槍掃描透射電子顯微鏡等。

張德添教授談到，「目前電子顯微鏡的發展方向基本都是針對提高電子顯微鏡的解析度，比如努力發展新一代的單色器、球差校正器、發展高性能的場發射槍電子顯微鏡以及電子顯微鏡的小型化等；在生物電子顯微學方面一是使用低溫冷凍技術，使分子在含水的狀態下，觀測分子的結構，更加接近真實狀態；其次可利用計算機三維像重構技術，直觀的研究蛋白的三維結構圖像。」

二、我國電子顯微鏡產業化現狀

1、電子顯微鏡市場穩步增長

納米技術、材料科學、製藥、生命科學、化學等領域的快速發展推動了電子顯微鏡市場近年來的穩步增長；雖然高解析度的電子顯微鏡單臺價格達兩三千萬元，但是相關單位仍然希望得到高分辨電子顯微鏡用於科學研究，比如：FEI公司生產的Titan Krios冷凍透射電子顯微鏡一上市即被新加坡國立大學、清華大學和中科院生物物理研究所訂購進行結構分子生物學方面的研究。所以，電子顯微鏡在科研和生產過程中的重要性不言而喻。

張德添教授說「全國目前能夠使用的各種電子顯微鏡大概是3500－4000臺，其中掃描電子顯微鏡約2500臺，其餘的是透射電子顯微鏡；在材料學領域擁有量約3000臺，生物醫學領域擁有1000臺左右，而且每年以大約超過100臺的數量在增長，顯然電子顯微鏡在材料科學和生命科學領域已經是不可或缺的工具。」 張德添教授還提到，歐美很多國家的醫院已經在使用電子顯微鏡作為診斷工具，患者不僅僅要求知道診斷結果，同時還要求電子顯微鏡測試結果，所以電鏡將來的前景非常看好，我國目前已經建立了部分電子顯微鏡測試方法的國家標準，今後對於電鏡的需求肯定會增加。

2、我國電子顯微鏡產業化情況

 

1958年由中國科學院長春光機所研製的我國第一臺透射電子顯微鏡

 

1956年王大珩、錢臨照等在制定我國《12年科學技術發展遠景規劃》時提出了研製電子顯微鏡，黃蘭友、郭可信、姚駿恩等老一輩科學家都參與了我國電子顯微鏡的研製。1958年，中國科學院長春光學精密機械研究所研製成功了我國第一臺透射電子顯微鏡，分辯率達2.5 nm；1975年中國科學院北京科學儀器廠（KYKY）成功製成了我國第一臺DX-3型掃描電子顯微鏡，解析度達10nm。我國對於電子顯微鏡的研製起步不算晚，也曾經取得了輝煌的成績。

在八十年代以前，我國的國產電子顯微鏡數量基本與進口電子顯微鏡數量相當，其原因之一是由於當時電子顯微鏡的需求量相對較小，每年約三四十臺。進入九十年代，對於電子顯微鏡的需求大增，而且在市場的帶動下電子顯微鏡技術的發展突飛猛進，尤其是在像差校正方面獲得了重要的進展；加之生物技術的發展，促使更加先進的電子顯微鏡出現；同時國外電子顯微鏡大舉進入中國市場，而我國電子顯微鏡的研發投入嚴重不足，這樣的多重因素導致我們的電子顯微鏡產業和國外的差距越來越大。

張德添教授認為，「以我國目前的技術實力是完全能夠製造出中低端電子顯微鏡的（包括透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡），但是由於我國整個工業基礎薄弱，製造出來的電子顯微鏡在穩定性和可靠性方面與進口電子顯微鏡相比還有不小差距，加上我國還沒有形成一定的電子顯微鏡產業鏈，一臺電子顯微鏡從頭到腳都要靠一個廠家獨自完成，這也是發展國產電子顯微鏡的瓶頸所在。」

3、發展我國電鏡產業需要做好打持久戰的準備

張德添教授認為，發展我國電鏡需要依照我國國情，實事求是，從基礎做起，不能好高騖遠。

（1）加強基礎學科的建設是長久之計

十年樹木，百年樹人，所以人才的培養必須走在前面；而目前我國在「電子光學」方面的研究幾乎處於停滯狀態；例如，中國科學院北京科學儀器廠為了培養電子光學人才，只能把員工送到德國去學習。

（2）逐步建立我們自己的產業鏈

80年代初期由於我國市場上電子顯微鏡需求量小（每年三四十臺），「企業要生存，員工要吃飯」，而電子顯微鏡研發所需的投入又非常大、研發周期長，導致國內的儀器公司不敢上電子顯微鏡項目。沒有相關產業的帶動，一方面使企業的生產成本增加；另一方面，研發投入少，導致一些專家轉行幹其他方面的工作。

張德添教授告訴筆者，現在需要逐步建立起我們自己科學儀器產業鏈，有很多東西是可以共享的，比如很多科學儀器都用到真空設備、電子電路、精加工等。沒有儀器產業就談不上儀器的研發。

（3）把發展我國科學儀器提高到國家戰略層面

張德添教授告訴我們，國家對於這樣重大科研設備的研製需要多投入、持續不斷的投入才能見效，不可能一次投入就希望造出一臺合格的儀器來，即使是儀器生產出來了，後期還有很多應用的工作需要做。我國在「十一五」規劃期間電鏡研發方面的投入是2200萬，其實這個數目只相當於進口一臺高檔電鏡的價格。我們國家「神州」系列飛船之所以能夠取得這樣的成功除了投入大之外，還有一個重要的因素就是經過了長時間的積累才有今天的這樣的結果。

（4）整機的研發以企業為主導

整機的研發需交給企業來做，因為一方面企業具備機械加工的硬體設備，另一方面由於涉及到生存的問題，企業更加有動力和決心做出符合市場需求的產品來；借鑑國外經驗，凡是涉及到實際的產品，必是有企業的參與。

（5）採購過程中應該優先採購國產儀器

張德添教授曾多次參加並負責過大型儀器設備採購和招標活動，感受最深的就是國內單位在採購儀器時候的大手筆，對於採購儀器的指標求高、求全，實際上對於常規檢測單位，儀器購買回來之後，很多功能都用不著，也沒有能力開發，造成巨大的浪費；採購儀器的時候希望能夠真正的聽取專家組的意見、以符合實際需要為準。

張德添教授說，「我曾到日本田中耕一先生（與美國科學家約翰·芬恩共同發明了「對生物大分子的質譜分析法」而獲得2002年諾貝爾化學獎）所在的實驗室參觀過，結果令我十分震驚。田中耕一先生所在的實驗室並不如我們想像的那麼高級，也沒有很多高級的儀器設備，完全是一個普通的實驗室，卻做出了如此嬌人的成績；給我們的啟示就是我們是否真的每個實驗室都需要配備那麼高端的科研設備，我們目前購買的儀器設備是否得到了充分的利用？

所以在採購過程中優先採購國產儀器，特別是對於這一條需要詳細的規定，使其具有切實可行、具有可操作性的條款，而不是僅僅作為一個可有可無的規定。

三、培養綜合型科研人才

對於我國科學儀器人才培養的問題，張德添教授向我們表達他自己的觀點：

儀器研發人才是複合型人才，需要對於多個學科都有很好的理解，並長期工作在第一線；所以儀器人才的培養和儀器研發本身的特點一樣：投入大、周期長。發展自己的科學儀器產業，系統地培養人才必不可少；而我國近十來年培養出的儀器研發人才卻非常有限。

張德添教授指出，在重視研究系列人才的同時，同樣要重視工程系列的人才，對於儀器研發這樣針對性、實用性都非常強的工作，工程系列人才的介入是非常必要的；不簡單以文章作為工作的評價指標，建立更加合理的人才評價制度；我們通過驗收的項目很多，專利也不少，而由此導致的新產品卻很少，這樣的局面值得我們反思。另外，儀器整機的研發涉及到方方面面，需要既有很強的專業背景，又能夠整合各方面資源的人才，我國目前急需這方面的人才。

四、不論多麼困難，我國的電鏡產業一定要堅持做下去

張德添教授曾參與了我國「十一五」計劃中關於電子顯微鏡項目的起草，針對我國的現實情況，和透射電子顯微鏡的研發難度，張教授提出優先發展中低檔電子顯微鏡，夯實基礎然後再發展中高檔電子顯微鏡。

最後當被問道「『十一五』即將結束，您對『十二五』有什麼期待」時，張德添教授表示，不論多麼困難，我國的電鏡產業一定要堅持做下去，像電子顯微鏡這樣的大型儀器，既要有資金的支持，又要先進的管理措施，系統地整合各方面的資源才能夠實現國產化。

採訪手記

作為認識微觀世界的必備工具，電子顯微鏡的重要性已經無需贅述。我國的電子顯微鏡產業其實和其他科學儀器產業如質譜，光譜等相似，由於基礎薄弱，目前還處於學習和模仿階段，需要一點一點地攻克某個部件、某個技術；必須有一個積累過程。

我們的航天事業、汽車工業、飛機工業，不僅有三四十年的積累，並且還需要長時間持續不斷地投入，才有今天這樣的成績；比起這些產業，我們科學儀器以往不論在重視程度，還是在產業化方面顯然要弱一些，但是已經不能再等。

發展我們自己的科學儀器產業，尤其是像電鏡這樣的大型儀器設備，正如張德添教授所說，「需認清客觀現實，循序漸進，以市場為驅動，系統地加強我國各個方面的能力，比如微加工、電子電路、真空系統、軟體平臺等；各方面的條件成熟了，生產出和跨國公司同樣水平的科學儀器自然會是水到渠成。」

採訪編輯：劉向東

附錄：張德添教授簡介

1965年畢業於中國科學技術大學近代物理系原子核物理專業。

1965-1979年，軍事醫學科學院二所工作，主要從事電子學、光學、生物醫學工程及放射醫學等方面的研究工作。期間曾十次參加了我國的核武器爆炸試驗工作。

1980-至今，在軍事醫學科學院國家生物醫學分析中心，從事電子顯微學(包括透射電鏡、掃描電鏡、電子探針、能譜儀等)、生物醫學工程及相關學科(如原子力掃描顯微鏡(AFM)、雷射共聚焦掃描顯微鏡)等方面的研究工作；任教授級高級工程師。

1991年-2000年期間，曾承擔國家科技部關於「分析測試新技術新方法專題研究」，「生物樣品電鏡X射線微區分析技術方法的建立與研究」等基金課題。

2001年以來，多次參加並負責過「東方國際招標有限責任公司」組織的大型儀器設備採購招標活動；多次參加國家科技部組織的多項評審項目。

2007年1月，被國家科技部條件財務司、國家教育部科技司和國家質檢總局科技司三部門聘任為「十一五」國家科技支撐計劃科研條件領域相關項目、課題實施管理諮詢專家。

共獲得軍隊科技進步獎、中國分析測試協會獎「CAIA獎」、體育科學技術進步獎等九項。發表的論文、論文摘要共計50餘篇。

現任中國電鏡學會理事，北京市理化測試學會副理事長，北京市電鏡學會理事長，「現代科學儀器」編委等社會職務。