透射電子顯微鏡（簡稱透射電鏡）作為高端科學(xué)儀器設(shè)備，可以輕松的觀察樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，比光學(xué)顯微鏡所能夠觀察到的最小的結(jié)構(gòu)至少小數(shù)萬倍。其廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、半導(dǎo)體和生命科學(xué)等領(lǐng)域。這些應(yīng)用領(lǐng)域是利用不同類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、場發(fā)射透射電鏡和球差透射電鏡等類型的透射電鏡用于表征，半導(dǎo)體主要是利用自動化程度高的場發(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發(fā)射冷凍透射電鏡。
其中生命科學(xué)是當(dāng)今全球范圍內(nèi)非常受關(guān)注的基礎(chǔ)自然科學(xué)，它是研究生命現(xiàn)象和生命活動的本質(zhì)、特征和發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，以及各種生物生命活動與環(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)的微觀觀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。本文也主要著重探討透射電鏡在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，下面通過舉例說明。
(1) 透射電鏡在植物學(xué)中的應(yīng)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、開發(fā)、改造，以及保護(hù)植物資源。植物的生長與人類的生活息息相關(guān)，近年來，越來越多的科學(xué)家利用透射電鏡觀察研究植物的花粉、莖、葉、根、果實等組織細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。例如，植物的形態(tài)發(fā)育過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，組織細(xì)胞的分化與生長發(fā)育的過程，探索植物結(jié)構(gòu)和對應(yīng)功能的關(guān)系等。植物在生長過程中，也經(jīng)常會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(xiàn)；植物的輸導(dǎo)組織被病菌侵染，導(dǎo)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)行微觀研究，探索出植物學(xué)中的現(xiàn)象及規(guī)律，進(jìn)而有助于人類改善植物的抗病害能力，可以為經(jīng)濟(jì)作物提高栽培技術(shù)提供依據(jù)，提高產(chǎn)率。
眾所周知，光合作用對于人類和植物來說都很重要。光合作用是指綠色植物利用葉綠素等光合色素，在可見光的照射下，吸收光能，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為富能有機(jī)物，并釋放氧氣的過程。光合作用有三大功能：一是能夠能量轉(zhuǎn)換，能把太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能；二是能夠?qū)o機(jī)物變成有機(jī)物，完成物質(zhì)轉(zhuǎn)化；三是調(diào)節(jié)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(xì)菌光合作用反應(yīng)中心原子結(jié)構(gòu)，這項成果對于進(jìn)一步探索光合作用反應(yīng)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)者們未來有望通過人工模擬光合作用機(jī)制、仿生設(shè)計光敏器件；改造植物光反應(yīng)系統(tǒng)、提高太陽能利用率，從而提高農(nóng)作物產(chǎn)量，緩解日益突出的糧食和能源問題。
綠硫細(xì)菌光合作用系統(tǒng)及內(nèi)周捕光天線-反應(yīng)中心復(fù)合體結(jié)構(gòu)模型（來源：文中所提的文章）
(2) 透射電鏡在超微結(jié)構(gòu)診斷學(xué)中的應(yīng)用
超微結(jié)構(gòu)診斷又稱電鏡診斷，生物體發(fā)生疾病都會導(dǎo)致細(xì)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(qū)細(xì)胞的形貌分析和三維重構(gòu)解析，可以為疾病診斷提供有力依據(jù)，避免造成誤診、漏診，幫助人們早診斷發(fā)現(xiàn)疾病，正確治療。在腎臟疾病中，由于各種腎病的超微結(jié)構(gòu)病變各具特點，腎活檢的病理診斷較其他疾病的病理診斷更加的復(fù)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越受到重視，通過透射電鏡可以觀察到腎小球基底膜的厚度和結(jié)構(gòu)，以及其上皮細(xì)胞足突形狀等，這些都是重要的診斷依據(jù)。與此同時，透射電鏡對于研究疾病、分布及發(fā)病率等在超微結(jié)構(gòu)診斷學(xué)中同樣發(fā)揮著舉足輕重的作用。
(3) 透射電鏡在病毒研究方面的應(yīng)用
病毒作為一種病原體通常體積較小，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡往往難以滿足其形態(tài)觀測的需求，而高分辨率的透射電鏡成為了當(dāng)前病毒學(xué)研究的一個重要手段，可以用來發(fā)現(xiàn)病毒，研究病毒的結(jié)構(gòu)和成分，也為病毒的形貌提供直觀的依據(jù)。在近幾年的熱門話題“新冠肺炎”中，透射電鏡起到了幫助人類觀察新冠病毒的形態(tài)的鑒定作用。在實驗室中，滅活新冠病毒在冷凍透射電鏡下，一覽無余。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(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院傳染病診治國家重點實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(gòu)技術(shù)成功解析了新冠病毒（SARS-CoV-2）全病毒三維結(jié)構(gòu)，這一重要研究成果于北京時間2020年9月15日以“新冠病毒的全分子結(jié)構(gòu)”（Molecular architecture of the SARS-CoV-2 virus）為題在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》雜志上在線發(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(jié)構(gòu)，使世界對新冠病毒的認(rèn)識更近一步，有助于進(jìn)一步設(shè)計藥物阻斷病毒入侵。透射電鏡幫助人類認(rèn)識病毒的微觀世界，為人類的科研及生活服務(wù)提供支持。
真實的新冠病毒全病毒內(nèi)外結(jié)構(gòu)圖（來源：李賽）
隨著生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，冷凍透射電鏡將起到越來越大的作用。冷凍透射電鏡就是在傳統(tǒng)的透射電鏡的技術(shù)基礎(chǔ)上，搭配低溫傳輸系統(tǒng)和冷凍防污染系統(tǒng)。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說“科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往建立在對肉眼看不見的微觀世界進(jìn)行成功顯像的基礎(chǔ)之上，但是在很長時間里，已有的顯微技術(shù)無法充分展示分子生命周期全過程，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)帶入了一個新時代。”
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是高校院所、生命科學(xué)研究機(jī)構(gòu)、醫(yī)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較為集中，幾乎完全被歐美和日本的廠商所壟斷。我國尚未實現(xiàn)該產(chǎn)品的國產(chǎn)化，未來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上看
全球冷凍電鏡市場銷售額在2021年達(dá)到了3.8億美元，預(yù)計銷售額在2028年將達(dá)到5.9億美元，年復(fù)合增長率（CAGR）為5.7%（2022-2028）。市場價值在2021年為7.3億美元，預(yù)計到 2029 年，市場價值將增長到14.1億美元。
來源：智銀全球項目數(shù)據(jù)庫。
（2) 從中國冷凍電鏡市場上看
2009年清華大學(xué)開始大力發(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(shè)備，包括4臺300kV的高端設(shè)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(shè)備，成為全球最大的三個冷凍電鏡中心之一。
2021年多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)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(shè)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(fù)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(jī)構(gòu)都紛紛引進(jìn)高端冷凍電鏡。中國已擁有的冷凍電鏡超過了60臺，我國科學(xué)家們也通過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(jié)構(gòu)；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(nèi)部三維結(jié)構(gòu)……但從冷凍電鏡制造層面上來看，中國還沒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(shè)備，加強(qiáng)研制開發(fā)，實現(xiàn)自主創(chuàng)新，符合了國家長遠(yuǎn)發(fā)展的需要。隨著國家的發(fā)展壯大，科研條件的要求逐步提高，透射電鏡的應(yīng)用會逐漸廣泛化，例如利用透射電鏡研發(fā)半導(dǎo)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(tǒng)電鏡技術(shù)的真空環(huán)境、電子輻照等問題，極大的促進(jìn)了人類對生命科學(xué)未知區(qū)域的探索。
十四五規(guī)劃中明確指出“制定實施戰(zhàn)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)科研力量優(yōu)化配置和資源共享。加強(qiáng)高端科研儀器設(shè)備研發(fā)制造”。 針對目前國際貿(mào)易戰(zhàn)，技術(shù)壁壘，中國企業(yè)應(yīng)該加強(qiáng)科研儀器設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新，打破發(fā)達(dá)國家技術(shù)壟斷，早日實現(xiàn)透射電鏡國產(chǎn)化！
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