近日，中国科学院广州地球化学研究所（以下简称“广州地化所”）科研团队在纳米晶体结构解析技术与仪器研制方面取得重大突破，成功研制出首台国产纳米晶体结构快速解析仪。该仪器将显著增强我国在材料科学、化学、地球与行星科学等基础研究领域的原始创新能力，在月壤乃至将来的火星样品等深空探测微量样品分析、纳米功能材料高通量筛选以及生物医药、结构化学等领域均展现出广阔的应用前景。
近年来，广州已诞生多项自研科学仪器设备，对我国科技自立自强作出了突出贡献，本期《科技周刊》，我们前往一探究竟。
原理
利用电子衍射“照出”晶体真容
纳米晶体结构快速解析仪到底有什么用途？科学原理是什么？
研发团队负责人、广州地化所研究员鲜海洋告诉记者，万物皆由原子构成，但原子怎么排列，却在很大程度上决定了物质的性质。比如，碳元素通过不同的排列方式，既能形成十分柔软的石墨，也可以形成最坚硬的金刚石。看透微观世界的原子排列方式，就需要研究这些物质的晶体结构。
光学显微镜无法直接观测晶体结构，科学家将射线打到晶体上形成衍射斑，间接了解晶体的某个平面结构，再将若干个不同角度的晶体平面结构结合在一起，从而求解晶体的3D结构。
20世纪初，利用X射线的衍射现象，科学家发明了X射线衍射仪，并成功观测出食盐的晶体结构。到目前为止，X射线衍射仪一直是人类认知物质晶体结构的重要手段。但因X射线的波长相对较长，只能观测微米到毫米级的晶体，遇到纳米级别的晶体，X射线衍射仪就无能为力了。
1929年，科学家发现，电子同样具有波粒二象性，且波长比X射线更短，科学家利用这一原理发明了电子衍射仪，人类对晶体的认知从微米尺度走向纳米尺度。
随着科技的进步，电子衍射仪也进化为智能化程度更高的纳米晶体结构解析仪，应用于各行各业的不同纳米级晶体研究中，但仅有瑞士、日本等个别国家掌握这一高端仪器的设计制造技术。
缘起
千万元进口仪竟看不清月壤真容
2020年12月17日凌晨，“嫦娥五号”返回器携带月球样品着陆地球，其中的一部分月壤被带到广州地化所进行研究，受到月球上极端环境的影响，这些月壤中的矿物颗粒尺寸已达纳米级。
然而，当时进口仪器的关键指标无法满足月壤实验需求。“用进口仪器看月壤时，样品倾转漂移量非常大。我们请工程师过来帮我们调试，调到最好的状态，但漂移量始终无法满足实验要求。这个时候，我们萌生了自研国产设备的想法。”鲜海洋说。
广州地化所深地过程与战略矿产资源全国重点实验室主任林莽介绍，科学家研究月壤，是希望通过对极少量的样品进行分析，推演出月球天体乃至整个太阳系演化的过程，因此对科学仪器的相关技术指标要求非常严苛。
林莽表示：“进口仪器非常昂贵，动辄1000万元以上，后续维修、调试都要支付高昂费用。更为关键的是，这些仪器的漂移量指标是500纳米，而我们观测月壤的需求是200纳米，我们不能再依赖国外的仪器，必须自己研制仪器。”
纳米晶体结构快速解析仪
决心
买的不好使那就自己造
据介绍，团队自研的纳米晶体结构快速解析仪主要由高压电源、120千伏电子枪、两级聚光镜、STEM聚光镜、高精度样品台、电子探测相机和数字化控制操作系统等关键部分组成。
在观测样品时，最上方的120千伏电子枪会高速打出电子，通过聚光镜，电子会打到样品台的晶体上，之后，位于样品台下方的电子探测相机会记录下衍射斑。样品台需要不断旋转角度，方便最下方的电子探测相机记录下样品晶体各种角度的衍射斑并存入电脑。
值得一提的是，团队还需专门自研软件算法——不仅要控制电子枪发射电子以及样品台的旋转，收集到大量2D衍射斑图像后，还要进行漂移校正，并自动生成晶体三维结构。
2024年6月，在中国科学院B类先导专项的支持下，团队开始自研纳米晶体结构快速解析仪。
“整个研发过程是一段辛酸史。”鲜海洋告诉记者，当时团队定下的关键指标就是把样品倾转漂移量降到200纳米以下，“可我们在第一次搭完样机时，漂移量竟达到了微米级，远高于200纳米，完全没有达到我们的预想。”
研制科学仪器，出现问题不可怕，关键是要有分析问题和解决问题的能力，“漂移量差距这么大，是样品台马达的运动速率不精确？是哪个核心部件的误差较大？不断总结调整，慢慢提升每个部件的精度，最后才有了这套仪器。一开始，我们定下的目标是两年内实现漂移量500纳米以下，五年内实现200纳米以下，最终，我们仅花了一年半的时间就完成了200纳米的目标。”
成功
关键指标反超进口月壤从此“看得清”
今年1月9日，广州地化所研发的纳米晶体结构快速解析仪通过专家组验收，标志着这台关键仪器正式研制成功。当时，机器测得的漂移量指标为196纳米。“这意味着我们的纳米晶体结构快速解析仪在漂移量这一关键指标上优于国外同类产品60%。”
不仅如此，该仪器的可视化操作界面还集成了样品导航、光路调节、漂移校正等核心功能，可支持批量化运行，侧插式样品台可实现±90度倾转，保证数据采集完整度。
其中，仪器的图像分辨率优于1纳米、衍射分辨率达60皮米（1皮米=1×10—12米），确保了纳米晶体的原子级结构解析精度；样品倾转漂移量小于200纳米，极大地扩展了三维电子衍射技术，使该仪器适合地球与行星科学样品的研究；电子相机可高效捕捉弱衍射信号，搭载自主开发的连续倾转三维电子衍射采集系统，实现了全流程自主可控，其工作效率较传统衍射仪提升百倍以上。
“目前，这台仪器的很多关键参数，已经达到国际顶尖水平。仪器的研制成功，代表我们解决了先进国产仪器的‘卡脖子’难题。未来，我们可以根据各行各业的需求进一步改进仪器。”林莽说。
下一步，团队将在此仪器基础上研发200千伏的仪器，同时涵盖120千伏仪器的各项功能，“电压提高到200千伏后，电子的穿透力会更强，成像精度会进一步提升，但高电压也可能损伤样品，所以我们需要保留120千伏的各项功能。”
展望
解决一个问题开创一个未来
鲜海洋告诉记者，这台仪器的研制成功对地球与行星科学的基础研究领域意义重大。此前，广州地化所的科学家们利用该仪器证实了早期地球深部水可赋存于布里奇曼石晶格中，相关成果发表于国际顶级学术期刊《科学》。此外，该仪器还成功应用于新矿物和深地矿物的结构解析中，团队利用该技术成功解析“王焰钯矿”（IMA2024—008a）、“氧铅烧绿石”（IMA2024—026）两种新矿物，并获得国际矿物学会批准命名。
“地球深部处于高压状态下，物质的晶体结构非常纤细，属于纳米级别，非常适合使用该仪器进行研究。”林莽表示。
仪器还可用于月球和未来火星样品的研究。2025年4月24日，国家航天局对外宣布，天问三号探测器将于2028年前后发射。其由着陆器、上升器、服务器组合体和轨道器、返回器组合体组成，有望带回珍贵的火星样品。
“这台纳米晶体结构快速解析仪具有高通量测序能力，将对解析火星表面样品起到非常大的作用。火星表面样品的结晶是在很低的温度下形成的，仪器有望快速分析它的晶体结构，或许能为我们揭示很多重要的发现。”鲜海洋说。
此外，仪器在纳米材料、生物医药等现代化产业领域也有很好的应用。
“以生物医药为例，我们的仪器可以帮助药企或科研机构实现高通量、快速的药物筛选。”鲜海洋介绍，以往，药企或科研机构筛选药品，需要将药品晶体做得比较大，再用X射线衍射仪观察晶体结构。鲜海洋说：“培养大晶体耗时耗力，大大降低研发效率，如果利用我们的设备，他们就不需要把药品培养得那么大，给我们小部分样品，一晚上，上千个药品颗粒的晶体结构就做出来了。哪些是有效的药品种类，哪些是无效的，研发者可以快速进行判断，大大提升新药研发效率。”
谈及下一步的方向，鲜海洋表示，未来，人工智能技术有望帮助研发者进行纳米晶体的结构解析，利用大模型技术，科研人员不再需要人工筛选颗粒，而是利用机器识别颗粒实现智能解析。
科研机构谈创新
大科学装置“沿途下蛋”
催生多个新型科学仪器
细胞谱系设施的自动化保活切片贴片设备
对月壤的研究催生了纳米晶体结构快速解析仪，大型科研项目往往会对科学仪器的研发与进步起到重大推进作用。
作为大湾区首个生命科学领域国家级大科学装置，人类细胞谱系大科学研究设施（以下简称“细胞谱系设施”）自去年3月在广州启动建设以来，一直坚持“边建设、边使用、边产出、边转化、边共享”，目前已完成近30个工程设备（科学仪器）研制和工艺开发任务部署。
广州健康院副院长（主持工作）、细胞谱系设施总指挥孙飞介绍，团队为设施研发的自动化保活切片贴片设备，就是一套具备高度自动化的样品处理系统，其核心功能是对标准化处理后的生物组织块进行高精度的保活切片。该系统在实验室自动化样品处理过程中具有关键作用，能大幅度减少人为操作带来的不确定性，提高实验室样品处理效率，同时，确保了从样品处理到数据分析的全流程质量一致性和样本质量，进而攻克大尺度组织样本（如心肺等器官）全自动精密切片的难题。
除了细胞谱系设施，该设备还能在神经科学、类器官与组织工程、疾病模型建立等生物医学研究、临床病理诊断以及药物研发等多个关键场景广泛应用。
数字全息显微镜设备也是依托设施建设开发的一种基于计算成像原理的新型显微观测平台，该科学仪器突破了传统显微镜在视场与分辨率之间相互制约的技术瓶颈，摆脱了复杂光学元件的限制，显著降低了设备体积及系统复杂度，为显微成像技术的普及化提供了新路径，除了适用于细胞谱系设施，还可用于大规模样本成像、高通量药物筛选及病理诊断等领域。
此外，该细胞谱系设施还“沿途下蛋”，配套衍生出诸如细胞超微结构图谱解析系统、自动化空间多组学微流控系统等关键科学仪器。
广州健康院党委书记、副院长张鸿翔表示，多个项目已跨越了原理验证的初期阶段，进入了核心技术突破乃至产品原型开发的关键期，为后续的产业转化奠定了坚实的基础，为粤港澳大湾区生命健康产业高质量发展注入了蓬勃动能。
文、图/广州日报新花城记者：武威 通讯员 孔令竹、胡冰鑫
视频/广州日报新花城记者：武威
