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透射電子顯微鏡（簡(jiǎn)稱(chēng)透射電鏡）作為高端科學(xué)儀器設備，可以輕松的觀(guān)察樣品內部結構，比光學(xué)顯微鏡所能夠觀(guān)察到的最小的結構至少小數萬(wàn)倍。其廣泛應用于材料科學(xué)、半導體和生命科學(xué)等領(lǐng)域。這些應用領(lǐng)域是利用不同類(lèi)型的透射電鏡予以表征，材料科學(xué)領(lǐng)域主要是利用鎢燈絲&六硼化鑭透射電鏡、場(chǎng)發(fā)射透射電鏡和球差透射電鏡等類(lèi)型的透射電鏡用于表征，半導體主要是利用自動(dòng)化程度高的場(chǎng)發(fā)射透射電鏡和球差透射電鏡，而生命科學(xué)領(lǐng)域主要利用的是鎢燈絲&六硼化鑭透射電鏡和場(chǎng)發(fā)射冷凍透射電鏡。

其中生命科學(xué)是當今全球范圍內非常受關(guān)注的基礎自然科學(xué)，它是研究生命現象和生命活動(dòng)的本質(zhì)、特征和發(fā)生、發(fā)展規律，以及各種生物生命活動(dòng)與環(huán)境之間相互關(guān)系的科學(xué)。透射電鏡已能把生命科學(xué)的微觀(guān)觀(guān)察拓展到納米級的水平，極大的促進(jìn)生命科學(xué)領(lǐng)域的研究與發(fā)展。本文也主要著(zhù)重探討透射電鏡在生命科學(xué)領(lǐng)域的應用，下面通過(guò)舉例說(shuō)明。

(1) 透射電鏡在植物學(xué)中的應用

植物學(xué)主要研究的是植物的形態(tài)、分布、遺傳、進(jìn)化等。其研究的目的是為了更好的能利用、開(kāi)發(fā)、改造，以及保護植物資源。植物的生長(cháng)與人類(lèi)的生活息息相關(guān)，近年來(lái)，越來(lái)越多的科學(xué)家利用透射電鏡觀(guān)察研究植物的花粉、莖、葉、根、果實(shí)等組織細胞的結構。例如，植物的形態(tài)發(fā)育過(guò)程中內部結構的變化，組織細胞的分化與生長(cháng)發(fā)育的過(guò)程，探索植物結構和對應功能的關(guān)系等。植物在生長(cháng)過(guò)程中，也經(jīng)常會(huì )受一些病原物的危害，例如植物的葉組織壞死，造成葉斑出現；植物的輸導組織被病菌侵染，導致植物萎蔫和枯萎；葉綠素合成代謝被破壞，造成植株缺綠等。而利用透射電鏡可以對植物學(xué)和病原物進(jìn)行微觀(guān)研究，探索出植物學(xué)中的現象及規律，進(jìn)而有助于人類(lèi)改善植物的抗病害能力，可以為經(jīng)濟作物提高栽培技術(shù)提供依據，提高產(chǎn)率。

眾所周知，光合作用對于人類(lèi)和植物來(lái)說(shuō)都很重要。光合作用是指綠色植物利用葉綠素等光合色素，在可見(jiàn)光的照射下，吸收光能，把二氧化碳和水轉化為富能有機物，并釋放氧氣的過(guò)程。光合作用有三大功能：一是能夠能量轉換，能把太陽(yáng)能轉變?yōu)榛瘜W(xué)能；二是能夠將無(wú)機物變成有機物，完成物質(zhì)轉化；三是調節大氣，促進(jìn)生物圈的碳氧平衡。2020年，中科院植物所和浙江大學(xué)合作，利用冷凍透射電鏡解析綠硫細菌光合作用反應中心原子結構，這項成果對于進(jìn)一步探索光合作用反應中心的進(jìn)化具有重要的科學(xué)意義，并被刊登在國際頂級雜志《科學(xué)》上。而且，學(xué)者們未來(lái)有望通過(guò)人工模擬光合作用機制、仿生設計光敏器件；改造植物光反應系統、提高太陽(yáng)能利用率，從而提高農作物產(chǎn)量，緩解日益突出的糧食和能源問(wèn)題。

綠硫細菌光合作用系統及內周捕光天線(xiàn)-反應中心復合體結構模型（來(lái)源：文中所提的文章）

(2) 透射電鏡在超微結構診斷學(xué)中的應用

超微結構診斷又稱(chēng)電鏡診斷，生物體發(fā)生疾病都會(huì )導致細胞發(fā)生形態(tài)和功能上的改變，借助于透射電鏡對病變區細胞的形貌分析和三維重構解析，可以為疾病診斷提供有力依據，避免造成誤診、漏診，幫助人們早診斷發(fā)現疾病，正確治療。在腎臟疾病中，由于各種腎病的超微結構病變各具特點(diǎn)，腎活檢的病理診斷較其他疾病的病理診斷更加的復雜，電鏡檢查、免疫熒光、光鏡是腎活檢中不可或缺的組成部分。尤其是透射電鏡的檢查，在腎小球疾病診斷中的作用越來(lái)越受到重視，通過(guò)透射電鏡可以觀(guān)察到腎小球基底膜的厚度和結構，以及其上皮細胞足突形狀等，這些都是重要的診斷依據。與此同時(shí)，透射電鏡對于研究疾病、分布及發(fā)病率等在超微結構診斷學(xué)中同樣發(fā)揮著(zhù)舉足輕重的作用。

(3) 透射電鏡在病毒研究方面的應用

病毒作為一種病原體通常體積較小，傳統的光學(xué)顯微鏡往往難以滿(mǎn)足其形態(tài)觀(guān)測的需求，而高分辨率的透射電鏡成為了當前病毒學(xué)研究的一個(gè)重要手段，可以用來(lái)發(fā)現病毒，研究病毒的結構和成分，也為病毒的形貌提供直觀(guān)的依據。在近幾年的熱門(mén)話(huà)題“新冠肺炎”中，透射電鏡起到了幫助人類(lèi)觀(guān)察新冠病毒的形態(tài)的鑒定作用。在實(shí)驗室中，滅活新冠病毒在冷凍透射電鏡下，一覽無(wú)余。清華大學(xué)生命學(xué)院李賽研究員課題組和浙江大學(xué)醫學(xué)院附屬第一醫院傳染病診治國家重點(diǎn)實(shí)驗室李蘭娟院士課題組緊密合作，利用冷凍電鏡斷層成像和子斷層平均重構技術(shù)成功解析了新冠病毒（SARS-CoV-2）全病毒三維結構，這一重要研究成果于北京時(shí)間2020年9月15日以“新冠病毒的全分子結構”（Molecular architecture of the SARS-CoV-2 virus）為題在國際權威學(xué)術(shù)期刊《細胞》雜志上在線(xiàn)發(fā)表。這項研究首次解析了新冠病毒全病毒的高分辨率分子結構，使世界對新冠病毒的認識更近一步，有助于進(jìn)一步設計藥物阻斷病毒入侵。透射電鏡幫助人類(lèi)認識病毒的微觀(guān)世界，為人類(lèi)的科研及生活服務(wù)提供支持。

真實(shí)的新冠病毒全病毒內外結構圖（來(lái)源：李賽）

隨著(zhù)生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，冷凍透射電鏡將起到越來(lái)越大的作用。冷凍透射電鏡就是在傳統的透射電鏡的技術(shù)基礎上，搭配低溫傳輸系統和冷凍防污染系統。冷凍透射電鏡的誕生對于生命科學(xué)領(lǐng)域的研究具有革命性的影響。瑞典皇家科學(xué)院將2017年諾貝爾化學(xué)獎頒給發(fā)明冷凍電鏡的三位學(xué)者：哥倫比亞大學(xué)教授約阿基姆·弗蘭克（Joachim Frank）、英國劍橋大學(xué)生物學(xué)家和生物物理學(xué)家理查德·亨德森（Richard Henderson）以及瑞士洛桑大學(xué)生物物理學(xué)榮譽(yù)教授雅克·杜波切特（Jacques Dubochet）。諾貝爾獎評選委員會(huì )說(shuō)“科學(xué)發(fā)現往往建立在對肉眼看不見(jiàn)的微觀(guān)世界進(jìn)行成功顯像的基礎之上，但是在很長(cháng)時(shí)間里，已有的顯微技術(shù)無(wú)法充分展示分子生命周期全過(guò)程，在生物化學(xué)圖譜上留下很多空白，而低溫冷凍電子顯微鏡將生物化學(xué)帶入了一個(gè)新時(shí)代。”

左起依次為雅克·杜波切特、約阿希姆·弗蘭克和理查德·亨德森

冷凍透射電鏡主要用戶(hù)是高校院所、生命科學(xué)研究機構、醫院等，中國近幾年的需求量在不斷加大。在生產(chǎn)方面，目前冷凍透射電鏡市場(chǎng)較為集中，幾乎完全被歐美和日本的廠(chǎng)商所壟斷。我國尚未實(shí)現該產(chǎn)品的國產(chǎn)化，未來(lái)冷凍透射電鏡在我國發(fā)展空間較大。

（1) 從全球冷凍電鏡市場(chǎng)上看

全球冷凍電鏡市場(chǎng)銷(xiāo)售額在2021年達到了3.8億美元，預計銷(xiāo)售額在2028年將達到5.9億美元，年復合增長(cháng)率（CAGR）為5.7%（2022-2028）。市場(chǎng)價(jià)值在2021年為7.3億美元，預計到 2029 年，市場(chǎng)價(jià)值將增長(cháng)到14.1億美元。

來(lái)源：智銀全球項目數據庫。

（2) 從中國冷凍電鏡市場(chǎng)上看

2009年清華大學(xué)開(kāi)始大力發(fā)展冷凍電鏡的研究，購入亞洲首臺冷凍電鏡。隨后又購入兩臺Titan型號冷凍電鏡。目前，清華冷凍電鏡平臺共有十多臺設備，包括4臺300kV的高端設備。

2018年南方科技大學(xué)冷凍電鏡中心正式成立，該中心項目總投資為3.93億元，擬安裝300kV冷凍電鏡6臺，200kV冷凍電鏡2臺，120kV電鏡2臺，共計10臺冷凍透射電子顯微鏡及其它71臺/套相關(guān)輔助儀器和樣品制備設備，成為全球最大的三個(gè)冷凍電鏡中心之一。

2021年多模態(tài)跨尺度生物醫學(xué)成像設施項目采購了5套冷凍電鏡，山東大學(xué)冷凍電鏡中心建設項目購入了2套冷凍電鏡。2021年中國總采購冷凍電鏡10套，總金額約3.1億元。2022年中國冷凍電鏡的采購量上升到17臺，總金額超7億元。

近十余年里，中科院生物物理所、上海蛋白質(zhì)中心、北京大學(xué)、復旦大學(xué)、上?？萍即髮W(xué)、四川大學(xué)、浙江大學(xué)等多家高校與科研機構都紛紛引進(jìn)高端冷凍電鏡。中國已擁有的冷凍電鏡超過(guò)了60臺，我國科學(xué)家們也通過(guò)冷凍電鏡取得了令世界矚目的科研成果，比如科學(xué)家程亦凡教授，首次利用冷凍電鏡技術(shù)，解析了近原子分辨率膜蛋白結構；湖南師范大學(xué)的劉紅榮教授和清華大學(xué)的程凌鵬教授合作揭示病毒內部三維結構……但從冷凍電鏡制造層面上來(lái)看，中國還沒(méi)有可以制造冷凍電鏡的能力。

透射電鏡作為高端科研儀器設備，加強研制開(kāi)發(fā)，實(shí)現自主創(chuàng )新，符合了國家長(cháng)遠發(fā)展的需要。隨著(zhù)國家的發(fā)展壯大，科研條件的要求逐步提高，透射電鏡的應用會(huì )逐漸廣泛化，例如利用透射電鏡研發(fā)半導體芯片、碳納米管、石墨烯、鋰電池……尤其是冷凍透射電鏡技術(shù)和分辨率的提升，克服了傳統電鏡技術(shù)的真空環(huán)境、電子輻照等問(wèn)題，極大的促進(jìn)了人類(lèi)對生命科學(xué)未知區域的探索。

十四五規劃中明確指出“制定實(shí)施戰略性科學(xué)計劃和科學(xué)工程，推進(jìn)科研院所、高校、企業(yè)科研力量?jì)?yōu)化配置和資源共享。加強高端科研儀器設備研發(fā)制造”。 針對目前國際貿易戰，技術(shù)壁壘，中國企業(yè)應該加強科研儀器設備技術(shù)創(chuàng )新，打破發(fā)達國家技術(shù)壟斷，早日實(shí)現透射電鏡國產(chǎn)化！