正立式显微镜

仪器信息网讯 2024年1月20日上午，正值寓意“寒去春来”的大寒节气， 由生物岛实验室科研团队领衔研制，拥有自主知识产权的国产首台商业场发射透射电子显微镜太行 TH-F120在广州面向全球用户发布！发布会现场发布会邀请中国科学院饶子和院士、中国科学院隋森芳院士、中国科学院徐涛院士，广东省科学技术厅、广州市市场监督管理局、黄浦区科技局、黄浦区市场监管局、中国科学院生物物理研究所、中国科学院广州生物医药与健康研究院、生物岛实验室等相关领导，以及国内知名电镜专家等五十余位代表出席。仪器信息网作为受邀行业媒体，共同见证这一历史时刻。太行 TH F120历经三年研制成功， 由生物岛实验室与国仪量子共同成立的慧炬科技承接转化，目前已具备量产条件。TH F120的问世将打破国内透射电镜100%依赖进口的局面， 是中国电子显微技术的重大突破。作为极难攻克的“卡脖子”高端科学仪器代表，TH F120是生物岛实验室与国仪量子强强联合的成果，也呈现了尖端仪器技术从科学端研制、成果转化，到商业端产业化的典范。而本次发布会 “研发成果汇报”、“新品发布会”两个环节的设置，相得益彰，是相互尊重，更是传承。环节一： 生物岛实验室研发成果汇报生物岛实验室科研与成果转化部部长李中华主持会议中国科学院院士、广州实验室常务副主任、生物岛实验室主任徐涛开场致辞徐涛院士首先代表生物岛实验室向莅临本次活动的各位领导和专家们表示热烈欢迎，向一直关心支持生物岛实验室发展的各界朋友表示衷心感谢。他讲到，1933年，世界上第一台透射电镜诞生，如今，电镜已成为现代科学研究不可或缺的研究工具，在半导体、材料科学、生命科学等战略性领域的科研活动中起到至关重要的作用，被誉为高端科学仪器“皇冠上的明珠”。透射电镜技术跨越多个学科，工程技术复杂，攻关难度大，被列为我国受限制的35项关键技术之一。为解决卡脖子问题，在生物物理所的大力支持下，孙飞研究员带领团队早在2016年就启动了预研工作。之后在生物岛实验室组建了完整的研发团队体系，在国家自然科学基金委、广东省科技厅的大力支持下，经过三年多的不懈努力，先后成功研制120kV场发射电子枪、120kV低纹波高压电源、400万像素和1600万像素CMOS电子探测相机，以及100万杂合像素直接电子探测相机等透射电镜核心关键部件。在此基础上，才有了今天发布的国内首台100%自主知识产权的120kV场发射透射电镜，实现0.2纳米分辨率的成像能力，达到产品化水平。这对于我国摆脱进口依赖，实现高水平科技自立自强具有重大意义。作为团队的一员，徐涛院士见证了整个项目艰难的研发过程，借此发布会的机会，对实验室电镜研发团队不惧困难挑战、勇于投身科研实践的责任担当表达了崇高的敬意。最后，徐涛院士表示，科学仪器研制是一场马拉松，虽然目前取得了一些成绩，但仍然存在许多受制于人的短板弱项。未来，生物岛实验室将继续坚持四个面向，在省市科技部门的指导下，坚定不移的在科技创新的道路上大步迈进，为广东省大湾区的生物医药产业高质量发展、加快构建先进生产力贡献力量。实现科技自立自强，道阻且长，然行则将至；行而不叕，则未来可期！中国科学院院士、清华大学教授饶子和致辞饶子和院士表示，正如徐涛院士所言，透射电镜为推动科学技术进步做出了重要贡献，但核心技术一直被国外垄断，面临卡脖子风险，如今能与大家一同见证国内首台自主知识产权的场发射透射电镜成果发布会，可谓振奋人心。饶子和院士的研究方向长期聚焦在生物领域。推动生物领域向前发展，一个很关键的方面，便是新技术、新方法、新仪器、新手段的不断革新。生物结构学的发展随着蛋白晶体学技术、同步辐射技术、核磁共振技术、冷冻电镜技术、人工智能技术的突破而不断升华，仪器设备技术的发展对推动生命科学的发展至关重要。上世纪五六十年代以来，生物物理所一直是我国在生物电镜方面的研究基地之一，饶子和院士在担任所长期间也十分重视电镜中心的建设。饶子和院士回顾了孙飞研究员加盟生物物理所的往事，以及孙飞研究员在科研工作中展现出的优越的数理基础和对方法技术出众的敏感优势。最后，饶子和院士对在徐涛院士领导下，孙飞研究员带领团队能够取得这样的突破性成果表示祝贺，并对参与TH F120研制的科学家和工程师队伍给予最热烈的掌声，期待生物岛实验室的透射电镜能取得更加辉煌的成就，也期待在不久的将来，科学家能够用上我们自己研究的100kV、200kV、300kV冷冻电镜，促进我国生命科学和生物医学不断发展。生物岛实验室研发成果汇报：120kV场发射透射电子显微镜研制汇报人：广州生物岛实验室 /中国科学院生物物理研究所研究员孙飞冷冻电镜技术为生物分子结构研究带来革命性进展，主流厂商为赛默飞和日本电子，垄断全球市场。作为另一种专业化电镜，体电子显微镜技术是解析细胞谱系的重要工具。而透射电镜是冷冻电镜和体电子显微镜技术的基础，其由电子的发射、加速、成像和探测等基本单元系统构成，对应主要核心部件包括电子枪、电子探测相机等。同时，100kV场发射冷冻透射电镜是透射电镜发展的新方向，并将成为主流，用于大多数生物大分子结构解析。孙飞研究员分享了生物岛实验室基于以上背景开展的系列研究成果。其一，是120kV场发射冷冻透射电镜核心部件的研制。依托广东省重点领域研发计划项目，先后完成120kV场发射电子枪研制、120kV低纹波高压电源研制、电子探测相机研制，完成所有项目验收考核指标，并利用研制的核心部件完成对商业电镜Talos L 120C的关键部件替换，达到预期效果。其二，是100kV高通量高分辨率场发射冷冻透射电镜的研制。依托广东省重点领域研发计划项目，针对我国生命医学领域研究对冷冻电镜高度依赖进口的现状，突破100kV场发射电子枪、超高稳定高压发生器、平行光照明、恒定功率物镜、低加速电压下高性能高灵敏度探测相机等关键技术，研制场发射冷冻电子透射显微镜智能控制系统和高通量自动化数据收集软件，开展基于自主研发技术的工程化和产业化。电镜主机硬件搭建完成，已经能够进行成像，自研和国产部件比例高于90%。其三，是细胞图谱超微结构高通量分析系统研制，研发针对细胞谱系研究需求的高通量、超分辨、双模态 (光学+电镜) 显微成像系统，实现在1个月左右对1mm3尺度的生物组织样品的细胞超微结构图谱高通量分析的能力。研发成果转化便是本次发布的120kV场发射透射电镜。未来，团队将进一步开展100kV高通量高分辨率场发射冷冻电镜以及120kV高通量场发射体透射电镜的研制工作。突破“卡脖子”技术，国产首台场发射透射电镜发布仪式合影环节二：慧炬科技120kV场发射透射电镜产品发布会慧炬科技总经理曹峰致辞曹峰介绍道，慧炬科技成立于2022年11月，是由生物岛实验室和国仪量子共同出资成立，专注于透射电镜以及相关关键技术的研发与制造。融合了生物岛实验室透射电镜技术和国仪量子在科学仪器产业化方面的强大能力，慧炬科技有信心成为透射电镜研发领域的领导企业，让中国科学家用上国产的、世界领先的透射电镜。关于“慧炬”的释义，曹峰讲到，这源于透射电镜中电子束的“汇聚”，取其音义，“慧炬”又蕴含了“智慧聚集”、期待成为透射电镜领域的“火炬手”、带领电镜技术继续向前的寓意。曹峰表示，本次发布的透射电镜新品，凝聚了慧炬科技团队几年来的心血与汗水，承载着慧炬科技的梦想和理想，也寄托了慧炬科技“承鸿鹄之志，造大国电镜”的决心，相信在团队的努力下，在生物岛实验室以及广东省科技厅等各级政府的支持下，慧炬科技一定能够将透射电镜进行产业化，为我国科学和产业界的高质量发展提供强大助力。广州开发区管委会二级巡视员、生物岛实验室主任助理杨寿桃致辞杨寿桃主任表示，生物岛实验室与国仪量子合作共同成立慧炬科技，实现了场发射透射电镜科研成果的转化，推出商业化产品。TH F120完成了从科学研究到技术开发，再到市场推广的三级跳，为我国高端科学仪器市场注入新活力，是实验室发展历史上一个重要里程碑。生物岛实验室2021年完成了创建国家实验室的战略目标任务后，迅速响应政府号召，转型为专注成果转化和产业孵化，截至目前，已经孵化了12家创新型企业，其中4家企业估值过亿元。未来，生物岛实验室将继续紧盯成果转化与产业孵化，围绕产业链布局创新链，以满足重大产业化需求为己任，充分发挥国家战略科技力量的引领作用，协同推出更多原创性的科技成果，打通从科技强到产业强，再到经济强、国家强的通道，为广东省在生物医药领域提升科技自立自强能力贡献力量。国仪量子董事长贺羽致辞贺羽讲到，慧炬科技今天的发布成果源于徐涛院士、孙飞研究员等科学家不懈的努力和探索，在此谨代表国仪量子对徐涛院士团队致以崇高的敬意，对慧炬科技团队取得的成果表示热烈祝贺。本次慧炬科技发布国产首台量产场发射透射电镜，对中国电子显微事业与高端科学仪器国产化的发展而言都具有重要意义，相信慧炬科技一定能在透射电镜领域取得更加辉煌的成就，和国仪量子一起彻底打破高端电镜卡脖子的局面，为国家科技自立自强作出更大贡献。成立7年来，国仪量子陆续研制并发布了多款人无我有，人有我优的高端科学仪器，已经交付至全球数千家客户，并且在德国、美国、新加坡等发达国家完成了海外交付。截至目前，实现了量子精密测量仪器全球市占率领先，顺磁共振谱仪国内市占率第一，电子显微镜年成交量近200台等突出成绩。国仪量子很荣幸能够与生物岛实验室合作成立慧炬科技，共同研制填补国内空白的透射电镜。未来国仪量子将继续发挥自身在工程化、市场开拓等方面的优势，全力支持慧炬科技的产品研发和产业化，共同为客户提供更高品质的产品和服务。中国科学院院士、清华大学/南方科技大学教授隋森芳致辞隋森芳院士表示，很荣幸与大家一起见证我国首台场发射透射电子显微镜研制成功。当前，我国冷冻电镜技术应用研究在国际上已经具有领先地位，孙飞研究员这种新技术新方法研究在国际上也可圈可点。然而，由于冷冻电镜硬件装备不能自主研制，我国在冷冻电镜技术方法领域的创新受到了很大限制。很高兴看到生物岛实验室联合生物物理研究所在冷冻电镜研制方面的持续发力，多年成绩显著，抓住冷冻电镜技术领域国际前沿，率先选择100kV场发射冷冻电镜这一新赛道发力。首先成功研制了120kV场发射透射电镜，成像分辨率可以达到两个埃，并通过慧炬科技完成了工程化和产品化。这一重要时刻，是令我国冷冻电镜领域乃至整个电镜领域相关科技工作者兴奋的时刻，可以预见，该电镜设备成功投入市场将极大地推动我国冷冻电镜应用研究进步。相信在不久的将来，生物岛实验室和慧炬科技能够进一步完成专业化的100kV高通量场发射冷冻电镜，为我国高端科学仪器的自主研制事业作出重要贡献。此外，隋森芳院士强调，希望慧炬科技能够坚持下去，不断优化仪器的性能和稳定性，不断面向用户，提升仪器的易用性，虚心接受用户的反馈，不断实现仪器的迭代，最终在市场上赢得广大用户的认可和尊重。最后，隋森芳院士祝愿科研人员再接再厉，取得更大的成绩，祝愿我国高端电子显微镜自主研发事业蓬勃发展。中国科学院物理研究所/松山湖材料实验室研究员、中国电子显微镜学会副理事长、粤港澳大湾区电镜联盟理事长马秀良致辞马秀良研究员代表粤港澳大湾区显微科学技术联盟向由徐涛院士、孙飞研究员领衔的国产首台场发射透射电镜成功研发表示热烈祝贺。国际上透射电镜的研制始于上世纪30年代初的德国。上世纪50年代到70年代，我国科学家、工程技术人员也曾为研发透射电镜付出了不懈的努力，并在当时的条件下取得一定进展，只是由于复杂历史原因没有得到传承和延续。到改革开放初期，我国高考恢复以及国际上材料科学的广泛兴起，激发了国内青年学子对掌握知识的广泛渴望，对探索未知的热情空前高涨。时至今日，历经几代人，这种高涨的热情还在持续。以1980年成立的中国电子显微学会为例，每年一届的全国电子显微学学术年会，参会规模从当时的几十人，到现在已经达到3000多人。电镜已经成为科学家探索微观世界的重要手段，是材料科学、生命科学、半导体等领域不可或缺的高端科学仪器。从数量讲，我国已经成为透射电镜的最大市场，但过去四十多年里，我们对透射电镜几乎完全依赖进口，所以本次透射电镜成功研制的重大意义不言而喻。马秀良研究员表示，相信在120kV场发射透射电镜成功研制的基础上，在材料科学领域常用的200kV、300kV场发射透射电镜的成功研制也指日可待，这也势必会带动我国高端制造业的发展。学术报告：生物医学电镜自主研制之路报告人：中国科学院生物物理研究所/广州生物岛实验室研究员、广州慧炬科技首席科学家孙飞研究员孙飞研究员为大家分享了120kV透射电镜成功研制背后的心路历程。2016年8月，以生物物理研究所为主办单位，召集了国内各方有志于国产电镜装备研制事业的专家学者、企业家、政府领导，在西安交通大学召开了针对我国开展电镜装备研制必要性和可行性的研讨会议。至此，新时代下，我国电镜自主研制再出发。先后完成电镜相关研发项目和成果，包括光电融合超分辨生物显微成像系统、生物大分子跨尺度结构研究前沿技术、生物超快冷冻电子显微镜、冷冻电镜样品制备技术、冷冻聚焦离子束减薄技术、冷冻电镜图像处理技术等。在这些研发项目历程中也逐渐组建起以孙飞、曹峰、季刚、金亮、卢志钢、姚一帆等为代表的体系化工程技术队伍。随后电镜关键技术从装备研发的30kV开始，成功研制了针对病理组织切片样品的高通量扫描透射电子显微镜SmartView。接着再到120kV透射电镜关键部件的突破，最终实现向整机研制的进发。最后结合数年转化历程，针对我国高端科学仪器自主研制的战略出路分享了自己的几点看法。整机揭幕：饶子和院士、 隋森芳院士揭幕，专家代表共同见证广州慧炬科技产品发布讲解讲解人：广州慧炬科技有限公司总经理曹峰【命名】：作为慧炬科技首款透射电镜产品，同时也是我国国首台正式发布的商业场发射透射电镜，TH-F120取名源自中华名山“太行”(TH) ，寓意TH-F120将如太行山一样成为中国透射电镜产业的脊梁。产品参数如下：【设计理念】：越级体验（将场发射电子枪、高自动化模组等越级配置集成至120kV平台，入门即高配）；高效操作（所有控制高度集成至PC端，全中文软件交互界面一目了然，提升操作效率）；模块设计（每一个模块自成一体，可以独立升级或替换，为用户打造与众不同的科研利器提供便利）；拓展丰富（预设充足的附件加装接口以及整机升级空间，满足用户使用新需求，有效应对多样的应用场）。现场展示产品：120kV场发射电子枪（左），120kV低纹波高压电源（右）【产品特点】：肖特基场发射电子枪；高像素CMOS相机；平行束/会聚束自适应切换照明系统；四轴高精度样品台；对称式极靴、恒功率物镜 (高衬度/高分辨模式可选)；全中文软件交互界面。高稳定低纹波高压电源（HJ-HT120，新品）：加速电压输出-10kV~-120kV；高压电源加速电压稳定性 10ppm/h；加速高压纹波2ppm。现场展示样机：50万像素直接电子探测相机（左）、1600万像素CMOS电子探测相机（中）、直接电子探测器芯片（右）【高亮度场发射电子枪（HJ-FEG120，新品）】：加速电压10~120kV低能散、高相干性，带来更优信噪比；40nA大束流发射。产品规划：慧炬科技透射电镜产品取名均源自中华名山。代表慧炬科技立足中国，放眼世界，助力科研工作者勇攀高峰，不断突破!场发射透射电镜系列: “太行”TH-F120，“峨眉”EM-F200，“昆仑”KL-F300； 冷冻透射电镜系列: “珠穆朗玛”ZMLM-F300C“唐古拉”TGL-F200C，"玉龙”YL-F100C；热发射透射电镜系列: “秦岭”QL-T120，“丹霞”DX-LaB120。【慧炬科技透射电镜产品路线四年计划】：2024年（120kV 透射电镜、100kV 冷冻电镜）；2025年（200kV 透射电镜、200kV 冷冻电镜）；2026年（200kV 球差电镜、300kV 透射电镜）；2027年（300kV 球差、新型透射电镜）。实验室参观、TH F120真机演示合影留念

p　　20世纪初，生物学家 Nettie Stevens 解决一个困扰了人类千年的问题，这个问题说起来十分简单，但又万分难解：为什么有男女之分?她在布林茅尔学院 (Bryn Mawr)进行了开拓性的研究，终于发现了决定差异的原因——性染色体。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/f8cef0e1-db98-4914-bed7-18232fa05323.jpg" title="201707201842403036_副本.jpg"//pp style="text-align: center "span style="font-family: 楷体,楷体_GB2312,SimKai "Nettie Stevens/span/pp　　strong蒙昧年代/strong/pp　　多亏了 Stevens 的工作，以及在其基础上的后续研究，我们现在知道了性别是遗传所得，父亲的精子决定了后代的性别。但在人类之前漫长的历史中，这一问题显得十分神秘，并且催生出很多有意思的理论。/pp　　亚里士多德相信孩子的性别是由性行为时父亲的体温决定的。教科书《发育生物学》(Developmental Biology)中写道：“他劝年长的男性，如果想要生儿子，就在夏天准备这事。”/pp　　在19世纪的欧洲，人们广泛相信营养决定性别，营养差的父母生男孩，营养好的生女孩。几个世纪中，很多别的奇怪的理论也层出不穷。/pp　　十八世纪的法国解剖学家 Michel Procope-Couteau【《生男孩的艺术》(The Art of Having Boys)一书的作者】相信两个睾丸/卵巢分别对应两种性别。他“建议控制后代性别的最佳方法就是移除属于另一种性别的一个睾丸或者卵巢 虽然还有一种不那么激烈的方法—女性侧躺(让正确性别的那侧在下)，然后靠重力达到目的。”这段话出自生物学家 Leo W. Beukeboom 和 Nicolas Perrin 所著《性别决定的演化》(The Evolution of Sex Determination)一书。/pp　　现在我们知道，以上理论都是无稽之谈。这都要感谢 Stevens 的研究。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/eb461909-f3ef-4846-bd93-b0d43c1cd4b0.jpg" title="201707201844068419_副本.jpg"//pp style="text-align: center "span style="font-family: 楷体,楷体_GB2312,SimKai "Nettie Steven 用的显微镜。图片来源：Wikimedia Commons/span/pp　　strong大器晚成/strong/pp　　Stevens 于1861年生于美国佛蒙特州，她在35岁“高龄”才攒到了足够的资金之后，进入加州的一所初创不久的大学——斯坦福大学，在这里她开始学习科学并不断成长，于1990年拿到了本科和硕士学位。从斯坦福毕业后，Stevens 申请攻读宾州布林茅尔学院的博士学位——这一教育水平对于当时女性来说是非常罕见的。/pp　　20世纪初时，染色体携带遗传信息仍是一个新理论。孟德尔工作的内容在1900年才刚刚被人们“重新发现”(他活着的时候没人听他的理论)，科学界当时也在试图解答包括性别在内的各种性状如何在世代间传递。/pp　　Stevens 想要弄清楚性别到底如何(或者说是否)通过基因遗传。她在用一台显微镜观察黄粉虫(Tenebrio molitor)的染色体时，发现了几千年来逃过人们视线的秘密。/pp　　她发现雌性黄粉虫的细胞有20个大型染色体，而雄性虽然也有20个，但却有一个明显比另外19个小很多。Stevens 在总结报告中写道：“这看起来确实是染色体决定性别的现象。”/pp　　她推断，这样的差异能够追溯到黄粉虫的精子。的确，她发现黄粉虫精子的染色体有两种版本：有一条染色体或大或小。“含有一条小型染色体的精子(产生的后代)是雄性，”她写道，“而那些10条染色体大小相似的精子产生的后代是雌性。”/pp　　“这是人类两千多年来对于动物植物和人类性别形成的思索和实验积累的成果”，历史学家 Stephen Brush 在他的《科学学会历史》(The History of Science Society)中解释道，“同时它为最近重新发现的孟德尔基因理论提供了一个重要的验证，后者已成为现代生物学的中心理论。”/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/8a4551ce-7bd5-4a43-b40d-855b55da2a65.jpg" title="201707201844428705.jpg"//pp style="text-align: center "span style="font-family: 楷体,楷体_GB2312,SimKai "Steven 笔下的细胞分裂。 来源：Studies in Spermatogenesis/span/pp　　strong无缘荣耀/strong/pp　　Stevens 的同事及前导师——E.B. Wilson，本身是一个传奇的生物学家，他常常被认作性染色体的发现者。/pp　　而导致这一情况的原因很简单：性别歧视。/pp　　Wilson 当时和 Stevens 一样，也在研究这个问题，并且在同一时期发表了相似的成果。然而他研究的物种中，雄性比雌性缺失一条染色体，这种情况在自然界中不那么常见。而 Steven 的 XY 染色体模型才是人类性别决定理论的基础。另外，Steven 的模型更好地支持了孟德尔的基因理论——一部分基因起主导作用，而与它们相对应的等位基因的作用会被遮蔽。/pp　　“大家总是说 E. B. Wilson 和 Stevens 在同时观察到了同样的结果，”Brush 在书中这样写道，但“很可能 Wilson 直到看到 Stevens 的结果，才得出性别决定的结论......因为本来 Wilson 在其他领域已经有了很多成就，所以他总是被给予最多的荣誉。“/pp　　Wilson 文章比 Stevens 发得早，而且学术声望也更高，所以他一直被认为是发现性别决定的人。然而虽然这两篇文章相似，Stevens 的结论明显更加正确，且证据更充足有力。Wilson 仍然相信环境因素会对性别决定产生影响，而 Stevens 认为这完全取决于染色体。这两种观点中在当时都无法完全验证，但时间证明 Stevens 是正确的(译注：至少对于人类等哺乳动物性别由染色体决定，但确实有部分物种性别由环境决定)，他们应该被认作共同发现者。尽管如此，只有 Wilson 一人获得了承认和荣誉。/pp　　这是一个“玛蒂尔达现象”的典型案例，这个名词来源于废奴主义者 Matilda Gage，指女性所取得的成就往往被归功于她们的男性同事——他们成为共同作者、被夸大功劳、甚至完全掩盖她们所做的贡献。Stevens 绝不只是唯一一个有如此遭遇的女科学家：比如20世纪的 Rosalind Franklin，她的工作对于 DNA 的发现起到了决定性的作用，却被同样遗忘。/pp　　Stevens 在1912年死于乳腺癌。纽约时报为此发表了一篇讣告，这样总结她的成就：“她是极少数杰出女性科学家之一，也是当代生物学领域中的佼佼者。”/pp　　这真的是一个保守的评价。/p

本文作者：Woutera van Iterson，荷兰阿姆斯特丹大学阿姆斯特丹生物中心、分子生物学研究所、分子细胞学部，摘译原文发布于1996年。一、荷兰电子显微镜的起源1939年，代尔夫特只是一个有着著名历史的小镇。1584年，被称作“荷兰国父”的沉默者威廉正是在这里被暗杀。而在代尔夫特的Nieuwe Kerk依旧可以找到奥兰治王室成员的墓穴。微生物学的创始人Antoni van Leeuwenhoek也在代尔夫特通过自制的玻璃透镜研究他的“小动物”。如果不是因为代尔夫特理工大学以及它的创新产业，代尔夫特在二战前留给人们的总体印象只是一座古老的城镇。在这本回忆录中，代尔夫特产业中一个特别的部分，即荷兰的精神象征法布里克（简称“酵母工厂”）扮演了一个重要的角色。首先，在代尔夫特理工大学的技术环境中，酵母工厂为国家最重要的微生物研究传统的发展做出了巨大贡献。1885年，酵母工厂的总经理J.C.van Marken邀请M.J.Beyerinck加入工厂。Beyerinck于1895年成为微生物学教授，并被称为微生物学之父。1921年，A.J.Kluyver（微生物学家之父）接替了Beyerinck的工作。Kluyver将他的教授任期与酵母厂的咨询工作结合了起来。这些是如何与电子显微镜联系起来的？答案就是酵母细胞。1939年夏天，代尔夫特理工大学有一名工科学生，名叫Jan B. Le Poole。Jan B. Le Poole（图1）向他的物理学教授H.B.Dorgelo提出了一个大胆的请求，即为他自己的工程专业制造一台电子显微镜。因缘际会之下，这时的时机恰好成熟。图1 J. B. Le Poole博士，荷兰电子显微镜的创始人，荷兰电子显微镜学会的首任会长彼时，Dorgelo、F.G.Waller（酵母工厂总经理）和A.J.Kluyver于1939年7月6日访问完柏林的西门子公司刚刚返回。而Kluyver很熟悉最近出版的微生物照片和电子显微镜提供的相对高放大倍数的照片。问题是，是否有可能用这样一种仪器来确定酵母细胞是否配备了一个带有染色体的真正的浓缩细胞核，或者它是否类似于细菌，是否可以在核物质和细胞质之间作出明确的区分？考虑到这个问题的实际意义，Waller、Kluyver与Dorgelo讨论后，此三人决定前往透射电子显微镜及其理论背景的圣地：战前的德国。早在1939年，西门子就根据von Borries和Ruska的设计，成功售出了第一台商业化的电子显微镜。它的放大倍数高达4万倍，分辨率比光学显微镜高得多，其价格约为80000荷兰盾（笔者注：按2022年5月汇率1荷兰盾约合3.37元人民币）。然而，该电镜与其提供的可能效果有一定出入。此外，在柏林，他们确实在电镜“高”放大率下观察到了酵母细胞，但那不过是一个“丑陋”的黑点，而在光学显微镜下，一个整齐的生物体，在细胞壁内具有原生质、液泡和各种其他结构，只有细胞核是暗黑的。一般说来，当时这种生物研究工具是否有用颇具争议。在整个细胞都聚焦的情况下，人们能否分辨出重要的细节？此外，电子一直被认为是粒子，直到1924年，人们通过德布罗意的工作才意识到，电子也会像波一样传播。然而，这并没有改变这样一个事实，即微粒肯定会轰击，继而破坏有机材料。最重要的是，生命的本质在于细胞中高百分比的水，而细胞在仪器的真空条件下会发生脱水。当电子显微镜的发明变得更广为人知时，在某些生物学圈内能听到这样的说法：“电子显微镜只是收集了一些人工制品。”毕竟，瑞士的Frey Wyssling和其他人已经用间接方法充分分析了细胞的总体结构。关于生物膜的结构性质，重要的论文也几乎达到了分子水平。电子显微镜真的能给20世纪30年代这一重要的知识宝库增添什么吗？这些反对意见促成了代尔夫特理工大学未来年轻科学家的冒险，也成就了他们的幸运。鉴于所有不确定性，年轻的Jan Le Poole渴望成为一名先锋，后来证明他很幸运。Jan Le Poole建立了一台两级电子显微镜，1941年可以拍摄第一张电子显微照片。然而，40k V的加速电压被证明是非常局限的。因此，Jan Le Poole决定与飞利浦物理实验室合作建造一台150k V电子显微镜。在埃因霍温的飞利浦，A.C.van Dorsten开发了一个非常稳定的150k V的部件，同时Le Poole在H.J.de Heer的协助下正在代尔夫特研究电子光学系统。在1944年春天的代尔夫特，全新的150k V电子显微镜被研制成功。二、荷兰电子显微镜的早期组织人们很快认识到，开发电子显微镜并研究其在生物学和其他学科中的应用需要成立一个组织和专项资金。1941年，TPD（Technisch Physische Dienst）由应用科学研究组织（TNO）和代尔夫特大学合作成立。1943年11月1日，一个专门的电子显微镜研究所作成立，隶属于TPD，不过其预算独立。该研究所得到了代尔夫特酵母工厂、飞利浦、Van Houten、Algemene Kunstzijde Unie（AKZO）、喜力啤酒厂和TPD等工业的资助。后来，荷兰联合利华和荷兰皇家壳牌公司也提供了每年不少于3000荷兰盾的资助。该研究所由一个咨询委员会监督，技术和日常管理由Le Poole负责，而Dorgelo和Kluyver负责科学监督。三、代尔夫特的电镜我们来自Le Poole的小组，在荷兰从战争的苦难中解放出来之前，我们只能孤立地工作，因此几乎没有意识到电镜的设计包含了许多令人兴奋的创新。其中一项创新是在40倍放大的物镜和160倍放大的投影镜头之间增加了两个镜头。其中一个额外的镜头有一个小孔，可以使放大倍数在6400倍到80,000倍间连续变化。放大到6400倍时，电流通过所谓的衍射透镜（另一个更大孔径）。使用该衍射透镜，可以从小至3μm的样品选定区域获得衍射图案。并可以在电子图像和电子衍射间来回切换，这在代尔夫特已被发现可以用于粘土矿物的测定。选区衍射的原理先前已被H.Boersch发现，但当时Le Poole还不知道。引入中间透镜的另一个优点是电镜镜筒的高度减小，从样品到最终图像的总距离达到60cm。此外，LePoole引入了一种特殊的对焦装置，尤其在高倍率下，当荧光屏上的强度较低时，可进行精确聚焦。入射电子束通过聚光镜和样品中两组平行板间的横向电场，以50Hz的频率振动。当物镜没有完全聚焦时，这种振动会使图像模糊。这有助于聚焦，并大大提高了代尔夫特研究所拍摄电镜照片的质量。从那以后，这种“摇摆”的磁型版本成为飞利浦所有透射电镜的特征。早期电镜中的图像场非常大（直径18cm），并投射到锥形烧瓶的底部，并转至荧光屏（图2）。通过在屏幕上方束流横截面足够小的位置引入35毫米胶片，可以在随后的照片放大中覆盖整个图像。发射电压在50-120kV之间变化，对于生物样品，电压越高，电子束的穿透力往往越强。图2. 150 kV电子显微镜，像场投射到沉积在锥形玻璃烧瓶底部的荧光材料上代尔夫特还研制了静电电子显微镜，该电镜于1951年由W.A.leRutte完成，在固定放大倍数下具有8nm的分辨率。1952年，Le Rutte发表了一篇关于他对静电电子光学贡献的论文，但由于当时电磁式电子显微镜的技术优势，这项工作被迫中断。另一个有趣的发展始于1943年中期。早在1942年，由于酵母细胞体积过大，Le Poole就提议建造一个发射电压1 MeV的电镜，以提高电子对样品的穿透力。建造这种电镜，必须克服种种问题，因此最终决定在飞利浦研究实验室建造400 kV的显微镜。Le Poole设计了这个电镜的电子透镜系统，而飞利浦的Van Dorsten负责设计高压设备，Oosterkamp负责发射枪，Verhoeff负责装配。1947年，这台电镜安装在代尔夫特研究所。四.代尔夫特电镜的早期工作不仅是电子显微镜的研究，代尔夫特对于电镜应用的开展也比较早。在准备研制基础型150 kV电子显微镜的这些年里，旧的两级型电镜在用于检验Le Poole的新想法的同时，还用于科学研究。在这项工作的成功，很大程度上归功于Harrie de Heer引进了出色的拍摄技术。生物学家A.Quispel于1942年10月开始在A.J.Kluyver教授的带领下担任研究助理。他做的第一件事是在单孔样本架上准备足够的“Geisselthallack”支撑膜。Quispel的任务是研究该电镜在生物学研究中的作用，尤其是研究酵母核中的染色体。为了做到这一点，Quispel开发了一种“染色”酵母核的方法，即与其他细胞相比提高对比度。这种选择性染色需要重金属，因此，他改变了Feulgen的方法，使用银及镧盐。然而，酵母没有揭示其染色体核的秘密，染色体核仍然处于漆黑一片的状态。Quispel接着尝试用蛋白水解酶使细胞质对电子束更透明。1943年9月，Quispel离开代尔夫特时，这项工作移交给了我，最初也得到了J. M. van Brakel的协助。然而，事实证明，对太大的酵母细胞进行研究还为时过早。当时我们深受战争的压迫，但我们年轻，对这项工作充满热情。我们急切地研究了酵母细胞、噬细胞菌、疗养院医生用的结核菌、各种其他细菌以及土壤样品中的粘土矿物、颜料、金属和在35mm胶片上拍摄的各种其他物品。五、战争快结束时的情况1944年，150 kV电子显微镜及其所有改进装置投入使用，但仅使用了几个星期。随着1944—1945年饥荒的来临，国家的形势变得非常危急。盟军已经解放了荷兰的南部，但是盟军在大河附近被拦截。在那个冬天，在河流以北的我们食物配给量减少到每周800卡路里。大家在解决温饱与绝望中挣扎。没有电，客运列车也没有运行，我们只有木制轮胎的自行车用于运输。为了保全电镜的透镜等核心部件，大家不得不做好随时拆除电镜的准备。值得一提的是，飞利浦电镜高压发电机中的冷却油无意间为大家解决了一些生存难题，这些冷却油被分配给研究所的工人作为燃料，大家在家里用它来照明等。我们也积极参与地下活动，试图抵抗危险的压迫环境。曾经，德军试图逮捕所有18至40岁的男性在德国从事强迫劳动，大家不得不躲起来试图逃避。六.解放以后在加拿大军队解放的动乱平息下来之后，代尔夫特电镜被重新组装起来。但此时，自己也开始怀疑，在与世隔绝的环境下使用代尔夫特电镜开展相关研究，是否对促进电子显微学的发展具有意义。来自盟军国家参观者的反应给我们的印象是， Le Poole电镜或将是一种意义重大的仪器设备，但我们不能依赖这种仅有的“大家的印象”，何况，在埃因霍温的飞利浦根本不准备开始在商业基础上生产电子显微镜，因为该公司主要对销售数千台以上的产品感兴趣。有没有办法提高同事们的希望？答案是有的。首先，我写了一篇关于美国在电子显微镜领域活动的综述。之所以能够做到这一点，是因为1944年9月荷兰南部解放后不久，荷兰国家矿业图书馆（DSM）就有了专门的美国科学期刊。虽然很明显，美国科学家的工作是广泛的和令人印象深刻的，但这篇综述让代尔夫特的物理学家相信，他们的成就并没有白费。此外，我还与我的父亲讨论了他们的担忧。父亲既是一名科学家，也是荷兰国家矿业公司董事会成员，能够理解新仪器的重要性以及飞利浦的工业观点。飞利浦的总裁Anton Philips博士刚刚从英国回来，他在那里度过了战争的岁月。我陪父亲去了埃因霍温，在那里我们在总裁家里吃了午饭。Philips先生仔细地听着，因为他还没有听说过代尔夫特电子显微镜的构造，以及他的公司已经如此密切地参与其中。1946年1月，Jan Le Poole有机会访问英国，并参加了英国电子显微镜集团的一次会议。在那里，他最后的一丝怀疑消失了：代尔夫特电镜确实是一种创新。他在英国遇到了Van Dorsten，他们讨论了对商用飞利浦电子显微镜的要求。1946年1月，飞利浦董事会似乎改变了观点，开始准备推动电子显微镜样机的开发，商业生产电镜有了基础。该电镜在某种程度上可以在X射线设备业务部开发，但样机是在飞利浦物理实验室（后称为飞利浦研究实验室）制造的。后来，一个特殊的电子显微镜部门成为科学和工业下医疗系统集团（一个主要的工业业务集团）的一部分。回想起来，这是早期所有努力的真正结果。1946年，飞利浦公司制造的电镜原样机在牛津的一次大会上展出，虽然当时这台“顽固”的电镜现场未能展示有用的电镜图片，但同样受到了人们的赞赏。（大会结束后，有人发现一个孔盘在运输过程中滑出了立柱，从而阻挡了电子束。）下一步，飞利浦决定建立一系列的四台电子显微镜原型机，其中一部分零件将在莱顿大学 Kamerlingh Onnes实验室的仪器制造商学院进行制造。飞利浦EM100的最终设计于1947年完成。一个独特的早期特征是荧光屏在透射中观察并倾斜到水平方向，如图3所示。在所有随后的飞利浦电镜中，这种结构被放弃，因为垂直柱比倾斜柱在机械上更稳定。图3 飞利浦EM100七、战后时期代尔夫特研究所的工作人员逐渐增加：有4名物理学家、1名生物学家、1名工程师、2名仪器制造师和4名技术人员。从1946年起， Le Poole得到了J. Kramer的协助，J. Kramer在过去的36年中一直是Le Poole的得力助手。1946年，物理学家的首要任务是校正电镜的像散，提高高电压稳定性，以及进一步发展一种更强的物镜，即在不需要进一步稳定透镜电流和高电压的情况下充分降低色差。包括其他工作在内，这项工作为飞利浦简化电子显微镜的设计提供了背景。除了电子显微镜的发展外，仪器的使用也变得越来越重要。后者包括微生物学方面的研究和为研究所以外的客户所做的工作。三台电子显微镜确实不是一件奢侈的事，但当时只有一台，并且为了仪器研制，有时不得不将这台电镜拆开。电子显微镜的质量体现在制备好试样的显微图片的质量上。当时，样品制备技术也正处于开创性的阶段。即使是主要用于生物标本的90kV，这些样品要么太脆弱，缺乏图像对比度，要么像酵母细胞一样太厚。在拍摄来自Lisse花球研究实验室的植物汁液样品时，缺乏对比度尤其令人不安，因为在这些样品中必须识别病毒棒。通常，我拍摄这些病毒时甚至都无法观察它们。在马里兰州贝塞斯达的国立卫生研究院的RalphW.G.Wyckoff博士来访后，我们对阴影投射技术有了很大的了解。这实际上为带有长鞭毛的细菌的电子显微照片（图4）和许多其他样本增加了一个新的维度。1947年，我有幸在贝塞斯达的国立卫生研究院获得奖学金并前往美国工作。那年12月，在费城的EMSA大会上，我提出了一篇题为《代尔夫特电子显微镜在生物学中的一些应用》的论文。在解释了代尔夫特显微镜的原理之后，投影了各种鞭毛细菌的显微照片，随后是为L.Algerica制作的叶绿体显微照片以及为Utrecht大学的L.H.Bretschneider制作的公牛精子显微照片。其中一张精子照片的特殊之处是用一种铁糖复合物喂养细胞，这是Bretschneider早期成功地尝试，目的是提高细胞代谢最活跃部位的对比度。由于我去了美国，A.L.Houwink博士于1947年接替了我在代尔夫特的工作，他继续进行细菌鞭毛和一些原生动物的研究。图4. 梅氏弧菌，视野7微米当时在制备技术方面遇到的问题很大。TNO金属研究所的 J. A. Nieuwenhuis在1944年发展了复制技术，该技术被Dalitz和Schuchmann（1952年）以及Beekhuis和Schuchmann（1952年）发表。1947年，高电压电镜从埃因霍温带到了代尔夫特，巨大的酵母细胞研究仍然令人失望。在高电压下，未经制备的酵母细胞以及真菌孢子，没有揭示重要的细节。此外，在这台高电压电镜样机准备就绪时，对这种仪器的需求已经消退。光束穿透的问题已经被一种新策略的发展所规避：薄片技术。因此，高电压电子显微镜的发展在1950年停止，但在1960年国际上对高电压电子显微镜的兴趣恢复后，以一种新颖的设计重新焕发生机。L.H.Bretschneider（1949年）在Utrecht大学为他在代尔夫特的电子显微镜工作进行了这种薄片技术的实验。他和他的同事P. F. Elbers穿着厚重的外套，在4°C的温度下，用剑桥1890年产的摇式切片机将切片嵌入石蜡和硬蜡混合物中。1954年，这项技术在对蛔虫肠道细胞的研究中得到了进一步发展，其中在剑桥1952年产的显微镜摇式切片机上进行了冷切片。在同一研究所，Elbers构建了一种单通道旋转切片机，配有用于甲基丙烯酸酯嵌入的热扩展装置，并专注于电子染色的使用。不久之后，H.B.Haanstra（1955年）在飞利浦研究实验室成功地制造了一台简单的切片机，并于1958年获得了专利。1949年7月，在代尔夫特举行的国际电子显微镜大会对荷兰所有电子显微镜学家来说都是一个巨大的鼓舞，在大会上，我们有机会展示我们的最佳成果，并与国外的同行结识。八、20世纪50年代初：荷兰涌现更多电镜当飞利浦公司开始商业化交付电子显微镜时，代尔夫特对电子显微镜研究的垄断宣告结束。1949年完成的第一个EM100，被送往哥本哈根的Statens血清研究所进行试验。在荷兰，每所州立大学都有自己的电镜，还有一些特殊的研究所也是如此，如利瑟的花球培养实验室、荷兰皇家贝壳实验室、Sikkens（一家油漆和清漆工厂），当然还有飞利浦研究实验室。当然，正是代尔夫特的工作引起了大学和研究所的兴趣。然而，也有各种各样的失望，由于大多数大学对于电镜进行有序研究的要求还没有准备好，严重低估了电镜使用的实际意义，因此出现了各种令人失望的情况。在格罗宁根大学（University of Groningen），E.H.Wiebenga教授为自己的研究做了充分准备，在美国Cecil Hall为其传授过蛋白质晶体(edestin and exalsin) 的制备；在英国，Wiebenga熟悉蛋白质的X射线衍射技术。1950年11月，他在学校拍摄出了第一张电子显微图片。然而，1951年10月，一名攻读博士学位的学生接手了Wiebenga关于种子球蛋白的工作，发现新安装的电镜无法使用。第一批电镜提供的分辨率约为5nm，不足以完成这类工作，他不得不使用X射线衍射技术。1952年前后，G.Boom对几种晶体材料表面结构的研究和E.F.J.van Bruggen对蛋白质变性的研究得到了新的物镜和更合适的制备技术（如负染法）的支持。这标志着格罗宁根大学在蛋白质结构化学方面卓有成效的研究工作的开始。由于朱莉安娜女王的到访，瓦赫宁根农业大学有幸成为1951年首批安装EM100的学校之一。趁着飞利浦技术人员还在的情况下，非常聪明的女王及时喊道：“我什么都没看到！” 在最初的挫折之后，Christina van der Scheer 的工作在 S. Henstra 的协助下，主要关注病毒颗粒的研究现在的工作人员很少意识到刚开始时遇到的困难。在阿姆斯特丹大学（University of Amsterdam），EM100于1951年1月交付，安装在一个地下室的自行车存放区，天花板低得足以磕头，没有通风。由于我们没有专项基金，电镜胶片必须用我的厨房用具来冲洗。尽管如此，在1953年，我还是在罗马举行的第十届微生物学大会上发表了一篇关于细菌鞭毛的特邀论文。1959年，我获得了科学博士学位，著有专著《不同视角下的Gallionella ferruginea》。早在1952年，在莱顿大学，之前提到的、和仪器制造学院合作制造的四台电子显微镜样机之一（不是Philips EM100）安装在医学院的解剖学大楼。电镜放在一个大房间中央的贝都因帐篷里。在W.G.Braams的看管下，它成为了一个规模不大的服务设施。电镜的应用还包括为医学生物学领域的未来研究提供基础。1957年，该电镜被Philips EM75样机取代。1958年12月，Braams被W. Th. Daems接替，W. Th. Daems和我们在阿姆斯特丹接受过电镜使用训练，在斯德哥尔摩的Sjostrand实验室接受过固定、嵌入和超薄切片的训练。1959年底，西门子Elmiskop I电镜取代了EM75，在酶细胞化学和放射自显影的帮助下，最终为形态学和细胞生物学研究奠定了基础。在乌得勒支大学（the University of Utrecht），情况并不比在阿姆斯特丹容易。1952年3月20日，Utrecht EM100正式落成，但该仪器被放置在物理大楼里，距离L.H.Bretschneider（自1950年以来一直专注于细胞学和电子显微学）和他的同事P.F.Elbers（曾在巴黎接受W.Bernhard的培训）都不方便。直到1954年，生物学家才可以方便地每天使用电子显微镜。Bretschneider于1955年获得教授职位，并成为生物体亚显微研究中心负责人，Elbers负责日常事务。直到1957年，奈梅亨大学（the University of Nijmegen）才安装EM100电子显微镜。在这里，首先为医学、及科学学院配置了一台电镜，由Bretschneider和Elbers的学生A.Stadhouders负责。这台电镜被安装的建筑物的地基恰好位于铁路站场共用的砾石床上！因此，在火车转轨过程中，电镜无法正常使用，直到确定并纠正了干扰源。奈梅亨大学的电镜装置迅速得到扩展应用，开展了重要的研究活动，主要是在人类病理学和植物学领域。在飞利浦研究实验室，H.B.Haanstra多年来一直负责电子显微镜的研究。在20世纪50年代和60年代，他出版了大量出版物。在代尔夫特理工大学，A.J.Kluyver教授的微生物学实验室安装了一台EM100，Le Poole研究所的生物学工作就此结束。在这里，A.L.Houwink与P.A.Roelofsen教授一起研究了植物细胞壁内的组织，这催生了“multinet growth”理论（1954年）。他和D. R. Kreger 博士一起研究了酵母的细胞壁（1953年）。Houwink于1953年在一种螺菌的壁上发现了晶体结构，后来加拿大的R.G.E.Murray对其进行了广泛研究，成为分子生物学的一个重要课题。在Le Poole的电子显微镜研究所，在电镜仪器开发和电镜商业化方面的有趣发展在持续进行。1954年，Le Poole发表了博士论文《电子和电离光学的一些设计》。它包含了如此多的创新，以至B. Von Borries在贺信里写道：“这可能是三篇论文。”1957年，Le Poole成为代尔夫特理工大学的教授。他继续研究像散与磁透镜孔圆度不足之间的关系，以及通过校正各种像差来提高分辨率，多年来，图像质量的提高一直是他关注的焦点。九、回顾过去回想起来，一开始，生物学的主要困难之一似乎是光学显微镜所见与电子显微镜所见之间的差距。这需要很多年的时间来弥补这一差距，而这只有在光学显微镜专家开始使用电子显微镜专家开发的制备程序时才能实现。 此外，长期以来，电子显微镜学家对于他的物理学家朋友和传统生物学家来说，都是个陌生人。在电子显微镜照片上看到的东西在很长一段时间里都是纯描述性的形态学，那时分子解释过于投机。生物化学已经成为将超微结构研究引入分子生物学领域的主要支持之一。第一批商业生产的电镜可能不足以满足所有电子显微镜学家的所有期望，但这也是对以后生产越来越优秀电镜的一种鼓舞。早期在组织、技术以及纯科学方面的巨大努力为荷兰卓有成效的研究奠定了基础。电子显微镜教会了我什么？ Kluyver教授在我的职业生涯中强烈地激励了我，他的伟大想法是他在生物化学中的统一概念。在我多年的积极研究中，我和许多研究人员都非常清楚，超微结构研究揭示了基本细胞结构的多样性的统一。在我晚年的思考中，这种统一对我们生活哲学基础的影响已经在我个人身上慢慢开始显现。致谢在本次审查中，下列同事提出了许多有用的建议:B. J. Spit, P. F. Elbers, H. B. Haanstra, C . C。E. Hulstaert, E. F. J. van Bruggen等。除此之外，它主要是基于我自己的笔记和回忆。拓展阅读：捷克斯洛伐克电镜发展史系列世界电镜九十年之怀念捷克斯洛伐克电子显微镜先驱——Delong、Drahoš和Zobač世界电镜九十年之捷克斯洛伐克早期电子显微镜发展史