复旦“超级电镜平台”：顶尖成果的幕后功臣

11-05 06:54

电子显微镜是科学家探索微观世界的得力“眼睛”，也是现代科学分析中不可缺少的重要工具。复旦大学电镜中心汇聚了20余台高端电镜，为物质科学、生命医学、信息科学等前沿领域的研究提供了强大助力，让“看见未知”成为现实。

电镜中心不仅致力于让电镜从“租借仪器”转变为“参与科研”，还积极构建新型科研生态。它不再局限于“设备共享 + 人力服务”，而是以“提炼问题 + 共同解题”为出发点，深度参与科研的全过程。

如果你还未领略过电镜的魅力，那就跟随我们一起走进这个面向未来的高精尖特色平台！

电镜中心拥有20余台高端设备，提供7×24小时全天候服务。即便在十月上海高温不退的时候，电镜中心依然保持“清凉”。这里对温度、湿度、噪音和磁场的控制要求极高，目的是让复旦的“电镜家族”始终处于最佳工作状态，随时为师生的科研工作提供服务。

复旦大学化学系硕士生杨帆和高分子科学系硕士生李文迁，在中心老师张曼的指导下，正在学习使用场发射透射电镜对样品进行高分辨成像分析。杨帆兴奋地展示刚拍下的样品图片，说：“这台透射电镜拍出来的照片细节非常清晰，能让我们在研究中少走弯路。”李文迁则和同伴认真交流加样手法：“插入样品台的时候是不是要推到底……”

电镜，即电子显微镜（Electron Microscope，简称EM），它用电子束代替可见光进行成像，是一台“超级放大镜”。由于电子波长极短，电镜能够突破传统光学显微镜的极限，清晰地“看到”纳米级甚至原子分辨率的结构。物理、化学、材料、信息、生物、环境、医学、药学、文博、人工智能等众多领域都离不开它。

2025年1月，复旦大学科研服务共享平台（筹）挂牌成立，电镜中心也同步成立。作为科研服务共享平台的核心子平台，电镜中心由融合创新研究院统筹管理。自今年4月运行以来，中心系统的注册总人数和课题组数持续增加。

中心集结了20余台用于物质科学和生命科学研究的电镜，液氦低温指标、声子谱分辨率等关键指标处于全球领先水平。不久前，中心迎来了新成员——Thermo Scientific Arctis冷冻等离子体聚焦离子束电镜（Cryo - PFIB）。这是一款全新的自动化显微镜，具备高通量快速、持续制备适用于冷冻电子断层成像（Cryo - ET）的功能，能加快生命医学领域原位解析细胞内生物大分子结构的研究进程。复旦是国内第二个、世界上第三个拥有这台顶尖仪器的高校。未来，中心还将根据师生需求，继续引进不同型号的新型电镜。

如今，中心每月都会为全校师生组织不同型号电镜的集中培训。张曼介绍：“培训一般安排三四天，有理论讲解和操作实训，每人都能多次练习，学完多动手很快就能上手。”

参加培训的化学系博士后叶兆祺认为：“电镜太重要了，越早学会越好。”专攻纳米晶体的博士后万思妤今年2月以一作身份在Science发表成果，她来这里学习是因为“这里的电镜不仅能让我看到纳米晶体的形貌，还有原位加热功能，就像把电炉子放到了电镜内部”。集成电路与微纳电子创新学院硕士生沈琳旖也报名参加了培训，她介绍说：“在半导体器件制造中，电镜常用于缺陷检测、材料表征和失效分析，在先进制程工艺中必不可少。”

早在1994年，复旦就引进了首台高端电镜，硬件水平一直处于国内外一流。多年来，一系列高水平电镜为学校的科研工作提供了重要支撑。

近年来，复旦的一批顶尖成果都离不开电镜的助力。在电化学领域，高悦团队提出外源锂供给重塑锂电池寿命极限，成果发表于Nature；催化剂领域，张波团队以“熟化诱导嵌入”构建超稳定负载型析氧电催化剂，发表于Science；仿生材料领域，陈国颂团队实现超分子聚合物的螺旋蛋白纳米管组装，发表于Nature Synthesis；医学领域，徐彦辉团队通过研究重建了人源Pol III转录起始的完整动态过程，发表于Nature；物理领域，车仁超团队利用液氦低温原位洛伦兹球差矫正电镜技术发现了在氧化物超导材料中存在拓扑自旋织构，发表于Nature。

超分子聚合物的螺旋蛋白纳米管组装 Nature Synthesis

生命科学学院教授麻锦彪表示，尽管现在AI工具很强大，但自然界仍有许多未被发现且无法用AI预测的生物结构，这就需要研究人员借助功能强大的电镜进行解析。今年6月，麻锦彪团队在Nature发表关于天然RNA纳米笼结构的重要成果，使用的就是中心的Titan Krios G4（场发射冷冻透射电子显微镜的型号之一）。

长链非编码RNA（long non - coding RNAs，lncRNAs，长度超过200个核苷酸）在生命过程的多个方面发挥着重要作用，对其进行结构研究有助于深入揭示其功能调控的分子基础，为解析生命活动规律、阐明疾病发生机制及开发新型治疗策略提供关键支持。

ROOLEfa和ROOLFirm的冷冻电镜分析

麻锦彪团队借助冷冻电镜，发现并解析了在细菌和噬菌体基因组中的长链非编码RNA ROOL形成的两种天然RNA纳米笼结构（ROOLEfa与ROOLFirm）。这一成果极大地拓展了人们对RNA的认知，为设计新型医药载体提供了思路。麻锦彪感叹道：“如果不是用冷冻电镜亲眼看到，我们根本想象不出来RNA还会形成这种结构。”

科学研究的关键不仅在于“个人突破”，更在于“系统协同”。面对日益复杂的科技前沿问题，传统以课题组为小单位的研究方式已难以满足高水平交叉研究的需求，迫切需要跨学科深度合作。电镜中心在做好共享服务的基础上，努力将平台打造成“实验室的延伸”，实现从“工具提供者”向“科研共创者”的角色转变。

与以往各院系自行购置仪器使用的模式不同，电镜中心将各学科所需的电镜集中起来，由专门技术人员维护。这样既避免了重复购置，打造出功能强大的超级电镜集群，又消除了师生使用其他学院电镜的“隐形门槛”，还能让电镜在专家手中不断解锁新功能、开发深度功能，更好地服务科研。电镜中心主任车仁超介绍：“电镜中心的一大特色就是集中，所有类型的电镜设备和来自不同学院和背景的研究者都能在同一个空间交流切磋、相互启发，有利于快速构建高维度的数据库，为机器学习提供特色的高质量数据。”

在组织形态上，中心不再以“设备共享 + 人力服务”为终点，而是以“提炼问题 + 问题导向 + 共同解题”为出发点，未来将构建“技术 - 科研联合小组”制度。平台工程师与课题组科研人员将在课题立项、实验设计、数据解析等环节深度合作。对于重大课题需求，平台可以组建专属团队对接，必要时还会组织外部合作资源联合攻关。

部分电镜还具备“原位实验”功能，能为用户提供电场、磁场、力学等多种实验条件，支持从样品制备到检测的全过程服务。中心工程师裴科形象地说：“我们的电镜不仅是‘超级放大镜’，更是可以在纳米尺度上做实验的‘微观实验室’。很多以前只能在宏观上做的实验，现在可以在纳米、原子级别真实发生，让我们能看到许多全新的物理和化学过程。”

复旦大学现代物理研究所张宏亮教授表示：“我们本来要跑到校外借用仪器，现在可以在校内做实验了。”他的团队从今年6月开始使用电镜中心的仪器，已依托平台在Acta Materialia上发表了两篇高水平论文。

核聚变被视为能源领域的“圣杯”，其在清洁性、资源量、安全性、能量效率等方面具有巨大优势，吸引着全球科学家投身于可控核聚变的工程技术挑战研究。张宏亮团队在电镜中心的支持下，大大提高了对核反应堆材料的研究效率。在聚变反应堆中，氘和氚在高温高压下结合成氦并释放巨大能量，但实际反应往往不充分。张宏亮说：“氘和氚的原子半径很小，扩散速度很快，容易滞留在反应器壁中，这既会造成燃料损耗，也会导致辐射量超标。”

2025 Acta Materialia

借助中心的Talos F200X透射电镜和Helios 5CX组合聚焦离子束扫描电镜，团队发现核反应真空腔内碳、氧杂质的存在会导致氘、氚燃料在钨质器壁滞留特征的变化。市场上，一克氚价值两百万；如果一克氘氚燃料完全反应，产生的能量相当于燃烧八吨石油。因此，通过调整容器条件提高核聚变反应效率具有重大意义。张宏亮说：“没有电镜的话，我们只能靠‘手搓’打磨样品，不仅费时，失败率也高。用这些先进设备，我们能精准定位材料表面的特征区域，还能进行纳米尺度的加工。”

电镜中心不仅从外部采购先进仪器，还积极开展自主创新，开发了多项具有自主知识产权的测试平台和“原位”实验专用配件。目前，中心已获批两个国家科学仪器制造重大项目，分别是“面向存储器件的自旋极化电流驱动的透射电镜低温多场耦合样品台”和“面向电磁功能材料的多频域宽温区多功能原位透射电镜表征分析平台”。中心还支持了纳米前沿专项下的关键科研任务“多电子束显微检测技术与高通量成像”课题，旨在突破亚5纳米分辨率并行电子束集成电路芯片的高通量检测瓶颈，研制具有自主知识产权的新型显微检测技术与装备。

维恩分离器是并行束扫描电子显微镜电子光路中的核心部件，能直接分离入射电子与二次电子，是多束成像的基础。为支持并行束扫描电子显微镜的开发，中心自行研发的多物理场耦合原位测试样品杆被用于分析维恩分离器的核心材料，探索多种成分的高磁导率合金在温度、磁场、电场作用下的稳定性和杂散场特性。这些研究成果不仅服务于复旦校内，也推动了国产高端电镜设备的技术进步。

电镜技术更新换代快，三到五年就会全面升级。如今，电镜与人工智能（AI）深度融合已成为趋势。中心的三台球差电镜都配备了AI交互系统，既能自动识别分析图片中的元素，又能为科研人员提供直观、快捷的分析参考。

车仁超表示：“当前电镜的发展方向是分辨率不断提高、功能日益集成、成像速度加快、操作界面简化。但这也让深层次的功能性改造更具挑战性。我们不仅要管理好、使用好这些科学装置，更要追求核心技术自主可控，在高端电镜研发上实现‘中国创造’。”他期待未来打造具备超高时空分辨能力的高水平电镜综合表征平台，自主研发尖端电镜，在高端装备领域留下“中国印记”，并借助平台加快青年人才的培养，让电镜事业在复旦持续发展、不断突破。