就在一周前，我国首台拥有自主知识产权的国产商业场发射透射电子显微镜（以下简称透射电镜）TH-F120完成了首单客户交付，正式开启了国产透射电镜的科研应用。该透射电镜由广州生物岛实验室领衔研制，由广州慧炬科技有限公司负责生产和商业化运营，产品的出现打破了透射电镜100%依赖进口的局面，是中国电子显微技术的重大突破。而如今完成首单交付，更是国产高精尖科学仪器发展过程中具有里程碑意义的大事件。
透射电镜具有超高分辨率，国际上最领先的透射电镜观察精度可达纳米级别，这对于微观领域的科研和产业发展十分重要，已广泛用于新一代信息技术产业、生物医药行业。透射电镜利用了哪些科学原理？它在哪些方面极具科研及应用价值？在广州，还有哪些重要的科学仪器正在积极研发？本期《科技周刊》，我们将带您了解广州产透射电镜的奥秘。
2024年全国电子显微学学术年会期间，不少观众前去了解国产透射电镜。
科学原理
电子高速穿过观察物后成像
广州慧炬科技有限公司首席技术官郭志成告诉记者，人的眼睛要看清东西，必须要有光源，与光学显微镜不同，透射电镜是以电子作为“光源”，电子加速后通过电磁透镜汇聚照射并穿过样品，再通过后面的透镜进行放大观察。其原理有点像我们观看皮影戏一样。
精细度远超光学显微镜
人类为何要发明透射电镜？那是因为科学家所能制作的最精密的光学显微镜，也无法看清小于0.2微米的细微结构，要想实现对更微观世界的观察，就必须选择波长更短的“光源”，以提高显微镜的分辨率。于是，以电子束为光源的透射电镜应运而生，由于电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，透射电镜便可以观察到更精细的微观世界。如今，人类发明的透射电镜可以观察到的最小尺度已达0.1（0.039）纳米，也就是原子的尺度。
“透射电镜的制作工艺十分复杂，技术壁垒很高，每个零件组装都非常精细，需要不断在错误中积累经验。我们一直在边工作边学习，尽管研发过程很枯燥，但每当我们突破一个技术难点时，大伙儿就会非常开心。比如，当我们在实验室内终于见到那个照射样品所必需的光斑时，就让我们非常高兴。我们为此付出了巨大的努力，从最初的一个理论计算值，到最后的光斑出现，其间有很大的差距。这些差距，是经过我们一点点地磨合、推翻、重建，才最终抹平，最终出现一束宝贵的光斑。”
郭志成告诉记者，从2017年生物岛实验室开始布局立项研发透射电镜，2022年慧炬公司正式成立，2024年年初对外发布首台国产透射电镜，直到如今透射电镜完成首台交付，其中凝聚了众多科研工作者的辛勤汗水。
由生物岛实验室领衔研制，拥有自主知识产权的首台国产商业场发射透射电子显微镜TH—F120“太行”在广州发布。
重要应用
发展生物医药、半导体必备仪器
●直观看到病毒和蛋白的原子结构，发现药物研发的靶点
●提供有关细胞内部组织、结构和功能的详细信息
●直观看到芯片内部的原子结构，分析其中的缺陷
透射电镜在科研领域的最强之处是其超高分辨率，国际上最领先的透射电镜观察精度可以达到纳米（0.1nm）级别。这意味着透射电镜甚至可以直接观察原子的排列情况，这也让透射电镜对于微观领域的科研和产业发展尤为重要。
郭志成介绍，目前，透射电镜已广泛用于新一代信息技术产业、生物医药行业，这些行业和领域都是目前广州重点发展的战略性新兴产业。
在生物医药领域，透射电镜可以很直观地看到病毒和蛋白的一些原子结构，了解这些原子结构最大的用途是发现药物研发的靶点，根据靶点，科研人员才能设计出全新的先导化合物，开启试药的全流程，这将为广州乃至国内药物的创新事业奠定良好的研发基础。
此外，透射电镜被广泛应用于细胞和组织的观察，可以对细胞和器官的超微结构进行高分辨率成像，例如细胞器、细胞膜结构和核酸蛋白质复合物等。透射电镜能够提供有关细胞内部组织、结构和功能的详细信息，对于研究传染病病毒等微生物、细胞分裂、细胞凋亡等生物学现象有着重要的作用。这对于正在广州获批建设的人类细胞谱系大科学研究设施以及人体蛋白质组导航国际大科学计划都有着重要意义。
而在新一代信息技术领域，透射电镜对于半导体芯片领域的检测和工艺改造同样至关重要，“尤其在芯片研发和先进制程上进行工艺改造时，科技工作者必须能很直观地看到芯片内部的那些原子结构，从而分析其中的缺陷，由此提升芯片生产的良率，观察材料的界面结构，才可以最直观地了解芯片的工作原理及性能。”
应用案例-小鼠肝脏切片（金属染色）
市场优势
价格低能为客户提供定制化服务
从年初发布透射电镜产品，到12月交付首台电镜，国内一家科研机构成为国产透射电镜的首个买家。
郭志成告诉记者：“现在已经有很多高校、科研机构问我们，透射电镜生产状况如何，现在下订单是否可以。我们预计，明年应该能交付6~10台透射电镜给客户。”
郭志成说，相较而言，国产透射电镜会比同类型国外透射电镜更有优势，“第一，因为目前我们用的是全套国内生产线和国内供应商，价格上会有一定优势。第二，我们的售后服务更便利，售后人员都是自己培养，没有任何技术保留，国外透射电镜公司往往会做技术保留，遇到设备维修，中国的维修团队搞不定，往往需要工程师从国外飞来修理，大大增加时间和经济成本。第三，国产电镜可以根据用户的需要进行定制化设计和服务，而国外透射电镜公司只愿意提供标准化产品。这也是我们的最大优势。”
“我们目前生产的120kV透射电镜还是入门级产品。预计明年我们能够推出200kV的透射电镜，这是一个中级产品。随后，我们将在200kV的基础上，进一步开展研发，有望再过两三年后，发布300kv透射电镜。打破高端透射电镜的国外垄断。”郭志成表示。
科学家解前沿
徐涛 中国科学院院士、生物岛实验室主任
透射电镜将“从有到优”
“我们国家一直很重视高端科学仪器的自主研制，中央多次强调要打好高端科学仪器、基础软件的‘攻坚战’，科技部在‘十三五’‘十四五’期间都设立了科研仪器专项。应该说，我国在高端科学仪器的自主研制上已取得了很大的进展。”在不久前结束的2024大湾区科学论坛期间，广州市科学技术协会主席、中国科学院院士、生物岛实验室主任徐涛专门就国产高端科学仪器话题接受了记者的访问。
“透射电镜已经有好几个单位的订单，很多高端科学仪器已经逐步在我国实现‘从无到有’。接下来，我们要‘从有到优’，比如在透射电镜自动化、智能化方面，我们也布局了新的项目，未来，这个项目有望把透射电镜解析蛋白结构的通量提升100倍，提高透射电镜的检验效率。”徐涛谈到，生物岛实验室除了研发透射电镜外，还开发了第四代纳米孔测序设备与技术，很多国内实验室已采用。而国内高端科学仪器近年来也有不少出彩的亮点，例如宁波永新光学做的光学成像设备，因为技术领先，已行销海内外，也已经被国外厂商列为主要竞争对手。
“应该说，高端科学仪器仍是我们国家的一个短板，所以我们在奋力地追赶。”徐涛表示，高端科学仪器如果单单计算产值并不会很大，但仪器对培育新质生产力的贡献非常大，“很多尖端的科技突破，都需要我们的科学仪器来支撑，特别是当我们强调实现高水平的科技自立自强时，科学仪器将是十分重要的‘基石’，不把‘基石’扎牢，高水平自立自强将无从谈起。”
应用案例-铁蛋白
广州科学仪器研制能力不断提升
以透射电镜为代表，近年来，广州正不断提升高端科学仪器的研制能力。近日，2024大湾区科学论坛特地在生物岛上召开“高端科学仪器与高端医疗器械”分论坛，多位重量级嘉宾分享了他们对开发高端科学仪器的重视。
诺贝尔生理医学奖得主厄温·内尔（ErwinNeher）：任何对疾病机制理解的进步，都需要更新更好的测量仪器，一旦这些仪器实现标准化，并应用于临床药物筛选或改进诊断，便会形成一个庞大的市场。例如，新一代基因测序仪当初的投入约10亿美元，这套科学仪器不仅推动了基因组学领域的变革，更造就了价值超100亿美元的科学仪器市场，同时还促进了价值千亿美元的基因检测。我建议要充分利用大湾区优越的供应链环境和丰富的人才资源，加大对高端科学仪器研发的投资，预计未来几年中国的科学仪器市场将实现年均增长率超10%。
共和国勋章获得者、中国工程院院士、广州国家实验室主任钟南山：“近年来，我们见证了高端科学仪器与医疗器械领域的迅猛发展，特别是在全球抗击新冠疫情的过程中，高端科学仪器以及医疗器械发挥了不可替代的作用，挽救了无数人的生命。高端科学仪器与高端医疗器械的研发不仅需要有深厚的科学积累，更需要有跨学科、跨领域的合作和交流。”
科技部原副部长张雨东：我国已逐步形成了相对完善的科研仪器创新体制，但仍存在“受制于人”的情况，未来要坚持“第一性原理”，激发原始创新活力，同时需解决性能差距大、内驱力不足等问题。
TH-F120透射电镜
1.电子枪
电子枪的主要作用是发射高速电子束，也就是形成透射电镜必需的“光源”。由于电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，这意味着电压越高波长越短，能观察的尺度越精细。目前，世界上最先进的透射电镜采用的电压是300kV，而慧炬TH-F120采用的电压是120kV，尚属“入门级”产品。
2.镜筒
镜筒内部有多个重要元器件，总体工作原理是：由电子枪发射出的高速电子束，在真空通道中沿着镜体光轴穿越聚光电磁透镜，通过聚光镜将电子束汇聚成一束纤细、明亮而又均匀的光斑，并照射到样品台的样品。透过样品后的电子束，就携带有样品内部的结构信息，样品内致密处透过的电子量少，稀疏处透过的电子量多。
3.机架及减震系统
透射电镜是一套十分精密的科学仪器，在工作中，任何一点细微的震动，都有可能造成成像的问题，因此机架与减震系统同样必不可少。
4.荧光屏相机底插式主相机
电子束穿过样品后，再经过多个电磁透镜进行放大成像，最终电子影像就被投射到底部的高速相机上。
5.电脑、操作软件、控制板
相机成像后，还需对图片进行处理，这不仅需要设计多个相关软件，还需要高超性能的计算机进行配合。
难点
电子枪和高压系统
郭志成告诉记者，整套透射电镜是一套复杂系统，它需要很多学科的科学家一起配合，涉及光学、电子、机械、软件算法等多个科学领域，“它的难点主要在电子枪和高压系统，电子光学系统的系统调试，以及后期的图像输出。”
文/广州日报新花城记者：武威
图/广州日报新花城记者：王维宣
