僅有頭發絲50萬分之一大小的物質，怎樣才能窺其真容？2月初，科技日報記者在廣州市黃埔區的生物島實驗室找到了答案。
透過120千伏場發射透射電鏡，記者清晰看到了小鼠大腦中的髓鞘組和小鼠肝臟細胞里的線粒體。平常用肉眼難以觀察到的微觀結構，此時清晰可見。
“它是擁有原子級分辨率的顯微放大設備，可呈現大多數晶體的排列結構。”中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院副院長（主持工作）、生物島實驗室生物電子顯微鏡技術研發創新中心原主任孫飛介紹。
2024年12月，由生物島實驗室領銜研制、我國首個擁有自主知識產權的國產商業場發射透射電鏡TH-F120完成了首批訂單合同簽訂，正式開啟了國產透射電鏡的市場應用。這將打破國內透射電鏡長期依賴進口的局面，為我國在材料科學、生命科學等前沿科學及工業領域的高質量發展提供有力支撐。
從掃描電鏡起步
“我們能不能自主研發冷凍透射電鏡？”2014年，中國科學院院士饒子和的發問，時常在孫飛耳邊回響。
饒子和長期深耕于冷凍電鏡應用研究，深知透射電鏡對科學研究的極端重要性。透射電子顯微鏡（以下簡稱“透射電鏡”），堪稱科學家探尋微觀世界的“慧眼”。借助它，科學家能緝查病毒“元兇”、觀察細胞超微結構。
然而，由于技術門檻極高，長期以來，透射電鏡的研發和生產技術僅掌握在少數幾個國家手中。
“造出自己的透射電鏡，一直是業界的共同愿景。”孫飛對記者說。
2016年，時任中國科學院生物物理研究所所長徐濤研究員和中國科學院生物物理研究所生物成像中心主任孫飛研究員開啟了謀劃自主研制透射電鏡的事業。
2019年開始，徐濤和孫飛逐步在生物島實驗室組建起一支透射電鏡研制工程技術團隊。他們的專業涵蓋電子光學、精密機械、電子電路、自動化控制等關鍵技術領域。團隊中既有國內外學術界的頂尖人才，也有在電子束產業中深耕多年的領軍人物。
為何選擇生物島實驗室作為研發基地？
生物島實驗室是廣東省首批省實驗室之一，作為新型研發機構，其善于打破科研和產業間的“籬笆墻”。孫飛表示：“透射電鏡研發是一個周期漫長、投入巨大、風險極高的系統工程。這里靈活的體制機制，保證了研發隊伍的穩定。”
團隊和研發基地都齊了，接下來的關鍵問題，便是選擇何種技術路徑。“透射電鏡主要有熱發射、場發射、光發射三種模式。商業產品以熱發射、場發射為主。場發射透射電鏡以其高分辨率成像能力成為高端主流產品。”孫飛介紹，他們的目標不僅是突破核心技術，更要瞄準科學應用，走向市場。因此，他們把研發目標鎖定在高端機型——120千伏場發射透射電鏡。
然而，團隊承擔的首個研發項目卻是30千伏掃描電鏡，而非透射電鏡。對此，孫飛解釋說：“我們就是想通過這個項目培育人才、建設隊伍。這樣既能熟悉電鏡的研發路徑，又能鍛煉團隊。”
正因為孫飛選擇不走尋常路，才為后續120千伏場發射透射電鏡的研制打下了扎實的技術基礎。
另辟蹊徑攻關
“有了30千伏掃描電鏡的成功經驗，是否意味著研發120千伏場發射透射電鏡會更容易？”記者問道。
“并非如此！”孫飛說，“電壓從30千伏提升到120千伏，這絕非簡單的數值提升，而是數量級的跨越。比如解決電子槍高壓真空打火問題，就是一個巨大的挑戰。”
電子槍是透射電鏡的“光源”，其作用是發射高能電子束照射樣品，是透射電鏡最為核心的部件之一。
10千伏、20千伏、30千伏……生物島實驗室電子光學工程師吳秀菊清晰地記得，研發過程中，每每看著電子槍電壓噌噌上升，大家心跳也隨之加快。“因為電壓一升到四五十千伏，電子槍就發生打火，導致高壓電源根本無法升上去。”
吳秀菊回憶道，實驗一度陷入困境，究竟是電子槍內部零配件存在污染物，還是高壓接頭不符合標準？面對接二連三的失敗，團隊成員沒有氣餒，而是另辟蹊徑，反復實驗。
“高壓接頭非常有講究，一旦接觸不良，中間留存的氣體就會引發擊穿打火，嚴重時甚至燒毀元器件。”孫飛解釋道。經過一年多的不懈探索，團隊終于找到合適的絕緣氣體，解決了這個困擾。他們不斷突破國外相關技術壁壘，在2023年成功實現120千伏場發射電子槍的穩定量產。
提起另一關鍵核心技術——電子探測相機的研發，生物島實驗室電子光學工程師金亮感慨道，為尋找成像效果最優的熒光層，他們對不同條件下的不同材料，先后做了40多種測試。目前，該團隊已成功研制出像素各異的電子探測相機，這些相機目前在國內尚屬首家。
盡管核心部件已成功研發，但挑戰并未結束。“我們又花了近一年時間，才完成了整機組合。”孫飛說，“當看到分辨率優于0.2納米圖像，我們的激動無以言表。”
邊研發邊轉化
2022年11月，生物島實驗室攜手國儀量子（合肥）技術有限公司，聯合成立廣州慧炬科技有限公司（以下簡稱“慧炬科技”）。2024年1月，慧炬科技正式推出我國首臺國產商業場透射電鏡TH-F120，取名“太行”，這標志著我國已掌握透射電鏡用的電子槍、高壓電源等核心技術，并具備整機量產的能力。
“太行”配備了自主研制的高亮度場發射電子槍，相比于同級進口產品的熱發射電子槍，其亮度更高，發射穩定性和相干性也更為出色。配合自主研制的電磁透鏡系統，以及針對120千伏成像平臺特別優化電子光學設計，使得“太行”能實現更高的圖像襯度和分辨率。
“‘太行’是多項技術的復合體。我們必須在每個環節都做到極致，才能保證設備整體達到高分辨率。”慧炬科技總經理曹峰透露，團隊正向200千伏場發射透射電鏡的新目標進發。
“我們在研發過程中始終堅持邊研發邊轉化，從科學應用的實際需求出發，確保項目有清晰的應用出口。”孫飛說。
回想120千伏場發射透射電鏡的研發歷程和產業化，孫飛和曹峰感慨萬千。
“當時市場上已有200千伏、300千伏的場發射透射電鏡，我們是否應該追隨市場？”孫飛表示，在選擇技術路徑時，大家也曾迷茫過。最終，他提出從用戶需求出發，確定研發120千伏場發射透射電鏡，這才使得技術成果得以順利轉化并落地。
“我們研發的產品是為了真正解決實際的科學問題，而不是簡單對比市場。”曹峰比喻道，“開車的人，未必會造車。但造車的人，只有懂得消費者的需求，才能夠打造出更好的產品。”
習近平總書記在主持二十屆中共中央政治局第三次集體學習時強調，要打好科技儀器設備、操作系統和基礎軟件國產化攻堅戰，鼓勵科研機構、高校同企業開展聯合攻關，提升國產化替代水平和應用規模，爭取早日實現用我國自主的研究平臺、儀器設備來解決重大基礎研究問題。
“我們將通過市場迭代，把透射電鏡技術錘煉得更加出色，做中國人自己的透射電鏡！”孫飛說。
僅有頭發絲50萬分之一大小的物質，怎樣才能窺其真容？2月初，科技日報記者在廣州市黃埔區的生物島實驗室找到了答案。
透過120千伏場發射透射電鏡，記者清晰看到了小鼠大腦中的髓鞘組和小鼠肝臟細胞里的線粒體。平常用肉眼難以觀察到的微觀結構，此時清晰可見。
“它是擁有原子級分辨率的顯微放大設備，可呈現大多數晶體的排列結構。”中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院副院長（主持工作）、生物島實驗室生物電子顯微鏡技術研發創新中心原主任孫飛介紹。
2024年12月，由生物島實驗室領銜研制、我國首個擁有自主知識產權的國產商業場發射透射電鏡TH-F120完成了首批訂單合同簽訂，正式開啟了國產透射電鏡的市場應用。這將打破國內透射電鏡長期依賴進口的局面，為我國在材料科學、生命科學等前沿科學及工業領域的高質量發展提供有力支撐。
從掃描電鏡起步
“我們能不能自主研發冷凍透射電鏡？”2014年，中國科學院院士饒子和的發問，時常在孫飛耳邊回響。
饒子和長期深耕于冷凍電鏡應用研究，深知透射電鏡對科學研究的極端重要性。透射電子顯微鏡（以下簡稱“透射電鏡”），堪稱科學家探尋微觀世界的“慧眼”。借助它，科學家能緝查病毒“元兇”、觀察細胞超微結構。
然而，由于技術門檻極高，長期以來，透射電鏡的研發和生產技術僅掌握在少數幾個國家手中。
“造出自己的透射電鏡，一直是業界的共同愿景。”孫飛對記者說。
2016年，時任中國科學院生物物理研究所所長徐濤研究員和中國科學院生物物理研究所生物成像中心主任孫飛研究員開啟了謀劃自主研制透射電鏡的事業。
2019年開始，徐濤和孫飛逐步在生物島實驗室組建起一支透射電鏡研制工程技術團隊。他們的專業涵蓋電子光學、精密機械、電子電路、自動化控制等關鍵技術領域。團隊中既有國內外學術界的頂尖人才，也有在電子束產業中深耕多年的領軍人物。
為何選擇生物島實驗室作為研發基地？
生物島實驗室是廣東省首批省實驗室之一，作為新型研發機構，其善于打破科研和產業間的“籬笆墻”。孫飛表示：“透射電鏡研發是一個周期漫長、投入巨大、風險極高的系統工程。這里靈活的體制機制，保證了研發隊伍的穩定。”
團隊和研發基地都齊了，接下來的關鍵問題，便是選擇何種技術路徑。“透射電鏡主要有熱發射、場發射、光發射三種模式。商業產品以熱發射、場發射為主。場發射透射電鏡以其高分辨率成像能力成為高端主流產品。”孫飛介紹，他們的目標不僅是突破核心技術，更要瞄準科學應用，走向市場。因此，他們把研發目標鎖定在高端機型——120千伏場發射透射電鏡。
然而，團隊承擔的首個研發項目卻是30千伏掃描電鏡，而非透射電鏡。對此，孫飛解釋說：“我們就是想通過這個項目培育人才、建設隊伍。這樣既能熟悉電鏡的研發路徑，又能鍛煉團隊。”
正因為孫飛選擇不走尋常路，才為后續120千伏場發射透射電鏡的研制打下了扎實的技術基礎。
另辟蹊徑攻關
“有了30千伏掃描電鏡的成功經驗，是否意味著研發120千伏場發射透射電鏡會更容易？”記者問道。
“并非如此！”孫飛說，“電壓從30千伏提升到120千伏，這絕非簡單的數值提升，而是數量級的跨越。比如解決電子槍高壓真空打火問題，就是一個巨大的挑戰。”
電子槍是透射電鏡的“光源”，其作用是發射高能電子束照射樣品，是透射電鏡最為核心的部件之一。
10千伏、20千伏、30千伏……生物島實驗室電子光學工程師吳秀菊清晰地記得，研發過程中，每每看著電子槍電壓噌噌上升，大家心跳也隨之加快。“因為電壓一升到四五十千伏，電子槍就發生打火，導致高壓電源根本無法升上去。”
吳秀菊回憶道，實驗一度陷入困境，究竟是電子槍內部零配件存在污染物，還是高壓接頭不符合標準？面對接二連三的失敗，團隊成員沒有氣餒，而是另辟蹊徑，反復實驗。
“高壓接頭非常有講究，一旦接觸不良，中間留存的氣體就會引發擊穿打火，嚴重時甚至燒毀元器件。”孫飛解釋道。經過一年多的不懈探索，團隊終于找到合適的絕緣氣體，解決了這個困擾。他們不斷突破國外相關技術壁壘，在2023年成功實現120千伏場發射電子槍的穩定量產。
提起另一關鍵核心技術——電子探測相機的研發，生物島實驗室電子光學工程師金亮感慨道，為尋找成像效果最優的熒光層，他們對不同條件下的不同材料，先后做了40多種測試。目前，該團隊已成功研制出像素各異的電子探測相機，這些相機目前在國內尚屬首家。
盡管核心部件已成功研發，但挑戰并未結束。“我們又花了近一年時間，才完成了整機組合。”孫飛說，“當看到分辨率優于0.2納米圖像，我們的激動無以言表。”
邊研發邊轉化
2022年11月，生物島實驗室攜手國儀量子（合肥）技術有限公司，聯合成立廣州慧炬科技有限公司（以下簡稱“慧炬科技”）。2024年1月，慧炬科技正式推出我國首臺國產商業場透射電鏡TH-F120，取名“太行”，這標志著我國已掌握透射電鏡用的電子槍、高壓電源等核心技術，并具備整機量產的能力。
“太行”配備了自主研制的高亮度場發射電子槍，相比于同級進口產品的熱發射電子槍，其亮度更高，發射穩定性和相干性也更為出色。配合自主研制的電磁透鏡系統，以及針對120千伏成像平臺特別優化電子光學設計，使得“太行”能實現更高的圖像襯度和分辨率。
“‘太行’是多項技術的復合體。我們必須在每個環節都做到極致，才能保證設備整體達到高分辨率。”慧炬科技總經理曹峰透露，團隊正向200千伏場發射透射電鏡的新目標進發。
“我們在研發過程中始終堅持邊研發邊轉化，從科學應用的實際需求出發，確保項目有清晰的應用出口。”孫飛說。
回想120千伏場發射透射電鏡的研發歷程和產業化，孫飛和曹峰感慨萬千。
“當時市場上已有200千伏、300千伏的場發射透射電鏡，我們是否應該追隨市場？”孫飛表示，在選擇技術路徑時，大家也曾迷茫過。最終，他提出從用戶需求出發，確定研發120千伏場發射透射電鏡，這才使得技術成果得以順利轉化并落地。
“我們研發的產品是為了真正解決實際的科學問題，而不是簡單對比市場。”曹峰比喻道，“開車的人，未必會造車。但造車的人，只有懂得消費者的需求，才能夠打造出更好的產品。”
習近平總書記在主持二十屆中共中央政治局第三次集體學習時強調，要打好科技儀器設備、操作系統和基礎軟件國產化攻堅戰，鼓勵科研機構、高校同企業開展聯合攻關，提升國產化替代水平和應用規模，爭取早日實現用我國自主的研究平臺、儀器設備來解決重大基礎研究問題。
“我們將通過市場迭代，把透射電鏡技術錘煉得更加出色，做中國人自己的透射電鏡！”孫飛說。
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