是什麼卡了我們的脖子——
我們的蛋白質3D高清照片仰賴舶來的透射式電鏡
亟待攻克的核心技術
本報記者 張佳星
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。
透射式電鏡的生產能力是冷凍電鏡製造能力的基礎之一。「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，「之前還有幾個企業製造，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『遊』出來。」陳寶慶說。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。
如果把電子槍想像成一把槍，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，雖還達不到雷射的程度，但也必須是很窄的分布。」陳寶慶解釋，電子「子彈」一致性是提高圖像解析度的前提。
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)是將氧化鋯沉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，中國自主研製透射式電鏡於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、樣品製作機器人的研發成功等，使得冷凍電鏡的解析度大規模提升，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、外託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。