科技日报记者 叶青
仅有头发丝50万分之一大小的物质，怎样才能窥其真容？2月初，科技日报记者在广州市黄埔区的生物岛实验室找到了答案。
透过120千伏场发射透射电镜，记者清晰看到了小鼠大脑中的髓鞘组和小鼠肝脏细胞里的线粒体。平常用肉眼难以观察到的微观结构，此时清晰可见。
“它是拥有原子级分辨率的显微放大设备，可呈现大多数晶体的排列结构。”中国科学院广州生物医药与健康研究院副院长（主持工作）、生物岛实验室生物电子显微镜技术研发创新中心原主任孙飞介绍。
2024年12月，由生物岛实验室领衔研制、我国首个拥有自主知识产权的国产商业场发射透射电镜TH-F120完成了首批订单合同签订，正式开启了国产透射电镜的市场应用。这将打破国内透射电镜长期依赖进口的局面，为我国在材料科学、生命科学等前沿科学及工业领域的高质量发展提供有力支撑。
从扫描电镜起步
“我们能不能自主研发冷冻透射电镜？”2014年，中国科学院院士饶子和的发问，时常在孙飞耳边回响。
饶子和长期深耕于冷冻电镜应用研究，深知透射电镜对科学研究的极端重要性。透射电子显微镜（以下简称“透射电镜”），堪称科学家探寻微观世界的“慧眼”。借助它，科学家能缉查病毒“元凶”、观察细胞超微结构。
然而，由于技术门槛极高，长期以来，透射电镜的研发和生产技术仅掌握在少数几个国家手中。
“造出自己的透射电镜，一直是业界的共同愿景。”孙飞对记者说。
2016年，时任中国科学院生物物理研究所所长徐涛研究员和中国科学院生物物理研究所生物成像中心主任孙飞研究员开启了谋划自主研制透射电镜的事业。
2019年开始，徐涛和孙飞逐步在生物岛实验室组建起一支透射电镜研制工程技术团队。他们的专业涵盖电子光学、精密机械、电子电路、自动化控制等关键技术领域。团队中既有国内外学术界的顶尖人才，也有在电子束产业中深耕多年的领军人物。
为何选择生物岛实验室作为研发基地？
生物岛实验室是广东省首批省实验室之一，作为新型研发机构，其善于打破科研和产业间的“篱笆墙”。孙飞表示：“透射电镜研发是一个周期漫长、投入巨大、风险极高的系统工程。这里灵活的体制机制，保证了研发队伍的稳定。”
团队和研发基地都齐了，接下来的关键问题，便是选择何种技术路径。“透射电镜主要有热发射、场发射、光发射三种模式。商业产品以热发射、场发射为主。场发射透射电镜以其高分辨率成像能力成为高端主流产品。”孙飞介绍，他们的目标不仅是突破核心技术，更要瞄准科学应用，走向市场。因此，他们把研发目标锁定在高端机型——120千伏场发射透射电镜。
然而，团队承担的首个研发项目却是30千伏扫描电镜，而非透射电镜。对此，孙飞解释说：“我们就是想通过这个项目培育人才、建设队伍。这样既能熟悉电镜的研发路径，又能锻炼团队。”
正因为孙飞选择不走寻常路，才为后续120千伏场发射透射电镜的研制打下了扎实的技术基础。
另辟蹊径攻关
“有了30千伏扫描电镜的成功经验，是否意味着研发120千伏场发射透射电镜会更容易？”记者问道。
“并非如此！”孙飞说，“电压从30千伏提升到120千伏，这绝非简单的数值提升，而是数量级的跨越。比如解决电子枪高压真空打火问题，就是一个巨大的挑战。”
电子枪是透射电镜的“光源”，其作用是发射高能电子束照射样品，是透射电镜最为核心的部件之一。
10千伏、20千伏、30千伏……生物岛实验室电子光学工程师吴秀菊清晰地记得，研发过程中，每每看着电子枪电压噌噌上升，大家心跳也随之加快。“因为电压一升到四五十千伏，电子枪就发生打火，导致高压电源根本无法升上去。”
吴秀菊回忆道，实验一度陷入困境，究竟是电子枪内部零配件存在污染物，还是高压接头不符合标准？面对接二连三的失败，团队成员没有气馁，而是另辟蹊径，反复实验。
“高压接头非常有讲究，一旦接触不良，中间留存的气体就会引发击穿打火，严重时甚至烧毁元器件。”孙飞解释道。经过一年多的不懈探索，团队终于找到合适的绝缘气体，解决了这个困扰。他们不断突破国外相关技术壁垒，在2023年成功实现120千伏场发射电子枪的稳定量产。
提起另一关键核心技术——电子探测相机的研发，生物岛实验室电子光学工程师金亮感慨道，为寻找成像效果最优的荧光层，他们对不同条件下的不同材料，先后做了40多种测试。目前，该团队已成功研制出像素各异的电子探测相机，这些相机目前在国内尚属首家。
尽管核心部件已成功研发，但挑战并未结束。“我们又花了近一年时间，才完成了整机组合。”孙飞说，“当看到分辨率优于0.2纳米图像，我们的激动无以言表。”
边研发边转化
2022年11月，生物岛实验室携手国仪量子（合肥）技术有限公司，联合成立广州慧炬科技有限公司（以下简称“慧炬科技”）。2024年1月，慧炬科技正式推出我国首台国产商业场透射电镜TH-F120，取名“太行”，这标志着我国已掌握透射电镜用的电子枪、高压电源等核心技术，并具备整机量产的能力。
“太行”配备了自主研制的高亮度场发射电子枪，相比于同级进口产品的热发射电子枪，其亮度更高，发射稳定性和相干性也更为出色。配合自主研制的电磁透镜系统，以及针对120千伏成像平台特别优化电子光学设计，使得“太行”能实现更高的图像衬度和分辨率。
“‘太行’是多项技术的复合体。我们必须在每个环节都做到极致，才能保证设备整体达到高分辨率。”慧炬科技总经理曹峰透露，团队正向200千伏场发射透射电镜的新目标进发。
“我们在研发过程中始终坚持边研发边转化，从科学应用的实际需求出发，确保项目有清晰的应用出口。”孙飞说。
回想120千伏场发射透射电镜的研发历程和产业化，孙飞和曹峰感慨万千。
“当时市场上已有200千伏、300千伏的场发射透射电镜，我们是否应该追随市场？”孙飞表示，在选择技术路径时，大家也曾迷茫过。最终，他提出从用户需求出发，确定研发120千伏场发射透射电镜，这才使得技术成果得以顺利转化并落地。
“我们研发的产品是为了真正解决实际的科学问题，而不是简单对比市场。”曹峰比喻道，“开车的人，未必会造车。但造车的人，只有懂得消费者的需求，才能够打造出更好的产品。”
习近平总书记在主持二十届中共中央政治局第三次集体学习时强调，要打好科技仪器设备、操作系统和基础软件国产化攻坚战，鼓励科研机构、高校同企业开展联合攻关，提升国产化替代水平和应用规模，争取早日实现用我国自主的研究平台、仪器设备来解决重大基础研究问题。
“我们将通过市场迭代，把透射电镜技术锤炼得更加出色，做中国人自己的透射电镜！”孙飞说。
