透射電子顯微鏡（簡稱透射電鏡）作為高端科學儀器設備，可以輕松的觀察樣品內部結構，比光學顯微鏡所能夠觀察到的最小的結構至少小數萬倍。其廣泛應用于材料科學、半導體和生命科學等領域。這些應用領域是利用不同類型的透射電鏡予以表征，材料科學領域主要是利用鎢燈絲&六硼化鑭透射電鏡、場發射透射電鏡和球差透射電鏡等類型的透射電鏡用于表征，半導體主要是利用自動化程度高的場發射透射電鏡和球差透射電鏡，而生命科學領域主要利用的是鎢燈絲&六硼化鑭透射電鏡和場發射冷凍透射電鏡。

其中生命科學是當今全球范圍內非常受關注的基礎自然科學，它是研究生命現象和生命活動的本質、特征和發生、發展規律，以及各種生物生命活動與環境之間相互關系的科學。透射電鏡已能把生命科學的微觀觀察拓展到納米級的水平，極大的促進生命科學領域的研究與發展。本文也主要著重探討透射電鏡在生命科學領域的應用，下面通過舉例說明。

(1) 透射電鏡在植物學中的應用

植物學主要研究的是植物的形態、分布、遺傳、進化等。其研究的目的是為了更好的能利用、開發、改造，以及保護植物資源。植物的生長與人類的生活息息相關，近年來，越來越多的科學家利用透射電鏡觀察研究植物的花粉、莖、葉、根、果實等組織細胞的結構。例如，植物的形態發育過程中內部結構的變化，組織細胞的分化與生長發育的過程，探索植物結構和對應功能的關系等。植物在生長過程中，也經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；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和病原物進行微觀研究，探索出植物學中的現象及規律，進而有助于人類改善植物的抗病害能力，可以為經濟作物提高栽培技術提供依據，提高產率。

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，把二氧化碳和水轉化為富能有機物，并釋放氧氣的過程。光合作用有三大功能：一是能夠能量轉換，能把太陽能轉變為化學能；二是能夠將無機物變成有機物，完成物質轉化；三是調節大氣，促進生物圈的碳氧平衡。2020年，中科院植物所和浙江大學合作，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，這項成果對于進一步探索光合作用反應中心的進化具有重要的科學意義，并被刊登在國際頂級雜志《科學》上。而且，學者們未來有望通過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、提高太陽能利用率，從而提高農作物產量，緩解日益突出的糧食和能源問題。

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

(2) 透射電鏡在超微結構診斷學中的應用

超微結構診斷又稱電鏡診斷，生物體發生疾病都會導致細胞發生形態和功能上的改變，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，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，透射電鏡對于研究疾病、分布及發病率等在超微結構診斷學中同樣發揮著舉足輕重的作用。

(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，傳統的光學顯微鏡往往難以滿足其形態觀測的需求，而高分辨率的透射電鏡成為了當前病毒學研究的一個重要手段，可以用來發現病毒，研究病毒的結構和成分，也為病毒的形貌提供直觀的依據。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。清華大學生命學院李賽研究員課題組和浙江大學醫學院附屬第一醫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技術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）為題在國際權威學術期刊《細胞》雜志上在線發表。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，有助于進一步設計藥物阻斷病毒入侵。透射電鏡幫助人類認識病毒的微觀世界，為人類的科研及生活服務提供支持。

真實的新冠病毒全病毒內外結構圖（來源：李賽）

隨著生命科學領域的發展，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的透射電鏡的技術基礎上，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領域的研究具有革命性的影響。瑞典皇家科學院將2017年諾貝爾化學獎頒給發明冷凍電鏡的三位學者：哥倫比亞大學教授約阿基姆·弗蘭克（Joachim Frank）、英國劍橋大學生物學家和生物物理學家理查德·亨德森（Richard Henderson）以及瑞士洛桑大學生物物理學榮譽教授雅克·杜波切特（Jacques Dubochet）。諾貝爾獎評選委員會說“科學發現往往建立在對肉眼看不見的微觀世界進行成功顯像的基礎之上，但是在很長時間里，已有的顯微技術無法充分展示分子生命周期全過程，在生物化學圖譜上留下很多空白，而低溫冷凍電子顯微鏡將生物化學帶入了一個新時代。”

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、生命科學研究機構、醫院等，中國近幾年的需求量在不斷加大。在生產方面，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。我國尚未實現該產品的國產化，未來冷凍透射電鏡在我國發展空間較大。

（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年達到了3.8億美元，預計銷售額在2028年將達到5.9億美元，年復合增長率（CAGR）為5.7%（2022-2028）。市場價值在2021年為7.3億美元，預計到 2029 年，市場價值將增長到14.1億美元。

來源：智銀全球項目數據庫。

（2) 從中國冷凍電鏡市場上看

2009年清華大學開始大力發展冷凍電鏡的研究，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/套相關輔助儀器和樣品制備設備，成為全球最大的三個冷凍電鏡中心之一。

2021年多模態跨尺度生物醫學成像設施項目采購了5套冷凍電鏡，山東大學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、上海蛋白質中心、北京大學、復旦大學、上?？萍即髮W、四川大學、浙江大學等多家高校與科研機構都紛紛引進高端冷凍電鏡。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，比如科學家程亦凡教授，首次利用冷凍電鏡技術，解析了近原子分辨率膜蛋白結構；湖南師范大學的劉紅榮教授和清華大學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備，加強研制開發，實現自主創新，符合了國家長遠發展的需要。隨著國家的發展壯大，科研條件的要求逐步提高，透射電鏡的應用會逐漸廣泛化，例如利用透射電鏡研發半導體芯片、碳納米管、石墨烯、鋰電池……尤其是冷凍透射電鏡技術和分辨率的提升，克服了傳統電鏡技術的真空環境、電子輻照等問題，極大的促進了人類對生命科學未知區域的探索。

十四五規劃中明確指出“制定實施戰略性科學計劃和科學工程，推進科研院所、高校、企業科研力量優化配置和資源共享。加強高端科研儀器設備研發制造”。 針對目前國際貿易戰，技術壁壘，中國企業應該加強科研儀器設備技術創新，打破發達國家技術壟斷，早日實現透射電鏡國產化！