電鏡“老玩家”袁建忠：專注電鏡20年，共筑科技強國夢
分析測試百科網訊 顯微系統(tǒng)作為人們觀察微觀物質結構的偉大發(fā)明，已經被用于各行各業(yè)中，成為現代分析的重要工具之一。在顯微界中，有這樣一家公司，從誕生之日起不斷追求更高的顯微技術，同時也一直引領著全球顯微技術的發(fā)展潮流，她就是知名電子光學系統(tǒng)制造商——日本電子（中國地區(qū)稱為“捷歐路”）。分析測試百科網特邀日本電子透射電鏡產品經理袁建忠先生，為讀者講述日本電子在電子顯微系統(tǒng)中的發(fā)展歷程及貢獻。
日本電子透射電鏡產品經理 袁建忠
與共和國同齡的日本電子
捷歐路（JEOL）英文全名是“日本電子光學實驗室有限公司（Japan Electron Optical Laboratory）”，簡稱日本電子，成立于1949年的東京，與中華人民共和國同齡。日本電子成立之初只是一個小型、研究電子光學的實驗室，直到1961年才正式更名為日本電子株式會社 (JEOL Ltd.)，并于一年后在東京證券交易所第二部掛牌上市。
公司成立后不久，便于1949年推出第一臺透射電鏡——JEM-1，此后在1956年完成了日本第一臺核磁共振（NMR）裝置——JNM-1；1966年完成JSM-1 掃描電子顯微鏡、EM-1000 超高壓(1000 kV) 電子顯微鏡，在東京證券交易所第一部掛牌上市；1967年，JBX-2A 電子束光刻系統(tǒng)完成；1976年， JEOL 電子顯微鏡制作的世界第一張原子排列圖問世；1989年，超高真空掃描隧道顯微鏡 JSTM-4000XV 完成……。“從成立至今，日本電子一直投身于電子光學領域，目前是全球最大的電子光學公司。自從躋身全球分析儀器廠家前15名，從未在脫離過榜單，這是我們引以為豪的成績”袁建忠說到，“公司從最早的透射電鏡、掃描電鏡，一直不斷發(fā)展、創(chuàng)新，現在已經擁有電子探針顯微系統(tǒng)、電子束光刻系統(tǒng)、制樣設備、多束系統(tǒng)、電子束工業(yè)產品等，是全球為數不多擁有全套電子光學系統(tǒng)的廠商”。
日本電子第一臺透射電鏡JEM-1
JEOL在中國的名字有時叫“日本電子”而有時叫“捷歐路”，袁建忠先生解釋說：JEOL在中國成立分公司時，確實想使用“日本電子”這一名稱注冊，而中國法規(guī)要求不能使用外國國家(地區(qū))名稱、國際組織名稱，因此公司選擇使用英文名稱縮寫并音譯為‘捷歐路’。所以無論是“日本電子”還是“捷歐路”，都是指JEOL。
日本電子：引領全球透鏡技術發(fā)展潮流
“自1949年研發(fā)出第一臺透射電鏡開始，日本電子在透射電鏡技術上引領了全球的發(fā)展，尤其在電子光學領域，日本電子更是占據全球領先地位，推動著電鏡技術發(fā)展?！痹ㄖ艺f到。
日本電子目前擁有多種類型的透射電鏡，包括材料電鏡和冷凍電鏡兩大分類。其中又涵蓋鎢燈絲透射電鏡、場發(fā)射透射電鏡、球差透射電鏡等。日本電子擁有專業(yè)維修、維護、應用團隊，在面對全球最大的電鏡市場時，能夠提供全面的技術支持和保障。袁建忠接下來介紹了幾款代表產品。
超高壓透射電鏡
1966年，日本電子即推出全球加速電壓最高的超高壓透射電子顯微鏡JEM-1000。雖然這款產品的極限分辨率在0.1 nm，但因為超高壓設計，他對微米級厚度的樣品也能觀察到清晰的圖像。一般的透射電子顯微鏡樣品由于極薄，失去了塊狀材料的性質，而利用超高壓透射電子顯微鏡能觀察厚樣品的特長，能保持塊狀樣品原來的性質進行觀察，從而獲得真實的檢測結果。尤其是三維圖像，JEM-1000能夠獲得微米級樣品三維立體圖像，這是一般電鏡所不能實現的”。
簡單化讓透射電鏡真正流行起來
2003年，日本電子推出200kV六硼化鑭場發(fā)射透射電鏡JEM-2100F，成為受市場青睞的明星產品。此前，透射電鏡雖然能獲得高分辨像如原子晶格像，但需要極其專業(yè)的人員操作。JEM-2100F的重要特色就是簡單化，讓廣大的科研人員都能獲得透射電鏡高分辨像，從此透射電鏡超高分辨時代來臨，大大促進了材料科學尤其是納米科學的發(fā)展。2015年，該產品更新為JEM-2100 Plus。2020年，日本電子更是推出JEM-2100時間分辨電子顯微鏡，可利用一個或多個激光器進行pump-探針實驗，用于研究樣品中的瞬態(tài)現象。該電鏡在JEM-2100Plus的基礎上引入激光束，指向陰極（電子源）和樣品，激光光學系統(tǒng)為標準配置，各種激光為可選件。用戶可以直接用激光激發(fā)樣品，紫外激光產生光電子探針脈沖，在成像、衍射、光譜或光譜成像模式下對樣品進行多模式的皮秒或納秒級探測。JEM-2100系列從超高空間分辨率走向同時獲得超高時間分辨率的四維時代。
球差校正 挑戰(zhàn)世界最高分辨率
球差校正電鏡可以看到更高的原子級分辨率，這就幫助研究者可以從研究一種材料發(fā)展到基于一些性能的需求設計一種材料。包括應用于新能源鋰電材料、催化材料、半導體工藝控制、新材料研發(fā)等熱點研究中。日本電子是最先將STEM-HAADF（高角環(huán)形暗場掃描透射圖像）技術成功商業(yè)化的公司。2009年，更是引領STEM技術在球差電鏡上的發(fā)展，推出當時世界上分辨率最高透射電鏡JEM-ARM200F， STEM-HAADF分辨率達0.078 nm，大獲成功，一舉奠定了日本電子在球差校正透射電鏡的技術領先地位，開啟了球差校正的新時代。世界上第一臺JEM-ARM200F安裝在德州大學圣安東尼奧分校，2010年1月安裝結束，二月初就獲得了驚人的實驗結果。2010年，西安交通大學也購入了中國首臺該型號的電鏡，也是中國大陸第一臺STEM球差校正透射電鏡；此后上海交通大學、武漢大學、東北大學等也陸續(xù)購置。
2014年，日本電子發(fā)布終極分辨率的新一代球差校正透射電鏡JEM-ARM300F, 其采用日本電子獨自研發(fā)的十二級像差校正器，TEM分辨率達0.05 nm, STEM HAADF分辨率達0.063 nm，再次把商業(yè)化透射電鏡推向了一個新的極限。2020年該產品更新為第二代產品GRAND ARM 300 F2，再次刷新世界紀錄，獲得40.5pm的分辨率。中科院物理所、中科院理化所都選裝備了這款產品，代表全世界目前最高水平的產品。目前，日本電子在中國售出的球差校正透射電鏡已經達到50多臺，普及速度遠超出當時的預期。
“作為GRAND ARM 300 F第二代產品，GRAND ARM 300 F2的圖像分辨率達40 pm，空間分辨率也能達到這個水平，極小的束斑使能譜也能達到該分辨率。此外，GRAND ARM 300 F2不僅能夠獲得投影像，還能獲得三維圖像和四維時間分辨結果，為檢測人員帶來樣品的全方位信息，對各個領域材料研究給出全方位的評價，這是日本電子獨有的優(yōu)勢?！痹ㄖ艺f到。
GRAND ARM 300 F2檢測結果
冷場冷凍透射電鏡
近年來，冷凍透射電鏡在生命科學上獲得成功應用。早在2010年，美國德克薩斯大學埃爾帕索校區(qū)(UTEP)購買日本電子株式會社最新型300kV高襯度能量過濾冷凍透射電鏡(cryo-TEM)JEM-3200FS用于結構生物學研究。2017年日本電子發(fā)布冷凍透射電鏡CRYO ARM 300(JEM-Z300FSC)，最大的特點是配置冷場發(fā)射電子槍，冷場沒有熱發(fā)散，冷場發(fā)射電子槍能夠產生高亮度低能量散射的電子束，從而能夠獲得高分辨、高襯度圖像。自2017年發(fā)布自動進樣的高端冷凍透射電鏡以來，截至目前已獲得1.3A以下的原子級的分辨率，市場反響強烈，中科院武漢病毒所、復旦大學等單位均采購了該產品。
JEOL 300kV場發(fā)射冷凍電子顯微鏡JEM-Z300FSC
袁建忠認為，日本電子能夠在透射電鏡領域能夠成功的原因有三點：
-
研發(fā)與制造技術的長期積累。一臺JEM-ARM 300 F有三萬多個零配件，最佳的電子顯微鏡表現能力要求每一個零件都能做到百分之百。
-
銷售和售后服務保障。日本電子有較為成熟的銷售和售后服務渠道，可以保證高品質的維修配件的流通速度和高素質的產品服務工程師。
-
電鏡專業(yè)人才培養(yǎng)。日本電子雖然是一家儀器制造商，但是卻在一直通過各種活動對青年科研人員提供資助。例如，成立風戶研究基金會，目的是鼓勵和推廣電子顯微鏡領域的學習和研究。
“由于透射電鏡產品需要投入大量的資金進行研發(fā)、生產，目前全球有三家廠商能夠生產透射電鏡，其中只有包括日本電子的兩家能夠生產高端透射電鏡產品。透射電鏡本身利潤率很低，常年毛利率在5%以下，但投入又非常大，因此無論在中國還是全球，能持續(xù)研發(fā)透射電鏡的公司非常少。尤其是材料電鏡，其研發(fā)投入相比冷凍電鏡更多，產品設計更加復雜，能夠持續(xù)在這方面投入人力、物力的公司寥寥無幾。因此能在這樣一家專注的公司任職我感到非常自豪。”袁建忠說到。
透射電鏡：唯一可觀察原子形態(tài)的分析儀器
談到透射電鏡和掃描電鏡最大不同，袁建忠表示：“如果將掃描電鏡比作放大鏡，透射電鏡則是顯微鏡”。目前，掃描電鏡的極限分辨率在0.7 nm左右，由于加速電壓的限制，無法看到物質原子間的結構與排列，更多是觀察物體表面細節(jié)。通常情況下，掃描電鏡很難接收1 nm以下的有效信息。而透射電鏡憑借超高電壓設計的優(yōu)勢，可以觀察70 pm以下物質的原子結構和排列情況，從本質上了解材料的性質，這是掃描電鏡無法做到的。
助力發(fā)現“單原子催化”
相比掃描電鏡，人們可以利用透射電鏡觀察到物質內部的原子排列、晶格排序、原子占位、原子移動等情況，可以從原子尺度了解物質的性質?！袄缰锌圃捍筮B化物所在研究鋰電等新能源材料時，用我們的透射電鏡觀察鋰原子的形態(tài)，為材料的改性提供依據。還有一個獨創(chuàng)性的研究成果是‘單原子催化’”袁建忠說到?！皢卧哟呋备拍钣芍袊茖W院大連化學物理研究所的張濤院士等人在2011年所提出，是一種特殊的負載型金屬催化劑，專指載體上的所有金屬組分都以單原子分散的形式存在，不存在同原子金屬-金屬鍵?！斑@項研究成果是通過日本電子的透射電鏡在皮米尺度上發(fā)現的，這也是透射電鏡與掃描電鏡性能上最大的差異”袁建忠表示。
圖片來源：Single-atom catalysis of CO oxidation using Pt-1/FeOx
談到這里，袁建忠表示，國家的發(fā)展離不開高性能材料，而材料發(fā)展要求研究者對材料性能了如指掌，這就需要能觀察到原子級的設備才能實現?！巴干潆婄R作為為數不多、可以觀察到原子動態(tài)的設備，能夠幫助人們了解材料的表面性能、形貌信息、晶格相、結構信息等。尤其是晶格排列，他會影響到材料的最終性能，例如面心、體心、六方晶格等，細小的改變會從根本上改變材料性能”袁建忠說到。上述應用足以證明，透射電鏡對于國家的發(fā)展至關重要。
電鏡市場發(fā)展思考：高端化、自動化
目前，中國的分析儀器市場銷售額占據全球的20%~30%左右，已經接近或超過北美市場。電鏡市場上，中國的占比更高，已達全球銷售額的50%，成為全球最大的電鏡市場。
究其原因袁建忠認為，中國經濟正處于上升期，同時政府對高端材料以及生命科學的研究非常重視，因此國內眾多高校、研究機構紛紛購買透射電鏡。隨著國家對新型材料提出了更高要求，300 kV、球差校正電鏡成為購買主流?！敖涍^統(tǒng)計，我們發(fā)現國內用戶非常喜歡購買高端電鏡，他們希望自己的實驗室能擁有全球最先進的分析技術，進而提高自己的科研水平，這一特點是是中國近年來在電鏡領域的發(fā)展趨勢”袁建忠說到?！斑€有一點，人們意識到透射電鏡能為材料研究者帶來全新的視野，能夠從原子尺度帶來新的解釋，因此人們都希望將自己研發(fā)的材料通過透射電鏡來獲得新的解釋，這是中國電鏡快速發(fā)展的另一個重要原因”。
放眼全球，有能力大量購買和維護透射電鏡的國家只有中國。無論是先期基建投入，還是后期電鏡的維護，需要大量資金支持。僅依靠收取儀器機時費無法承擔后期保養(yǎng)花銷，因此需要大量財政撥款才能讓儀器工作在最佳狀態(tài)，獲得理想檢測結果。這是其他國家目前所做不到的。
談到未來透射電鏡未來市場發(fā)展，袁建忠表示，此前透射電鏡的主要用戶是材料行業(yè)，即使是高端的球差電鏡也利潤微薄。當生命科學行業(yè)開始青睞冷凍電鏡后，市場價格成倍提高，改善的利潤將能促使透射電鏡技術的進一步發(fā)展。隨著生命科學研究不斷升溫，人們對冷凍電鏡的追求還會持續(xù)，尤其是高端產品，更是成為市場銷售主力。
對于當前發(fā)展火熱的自動化技術，袁建忠毫不回避說到：“現在日本電子也在做高自動化產品，但相對來講，這項技術還局限于半導體材料這類樣品比較單一、檢測單一的領域?，F在的自動化技術還無法實現復雜的樣品的自動找樣、自動拍照等工作，人工智能還達不到這么復雜的判斷能力，因此復雜樣品還需要檢測人員參與”。相信隨著人工智能的發(fā)展，標準檢測流程的建立，電鏡的自動化檢測有望在不久的將來完全實現，徹底解放現有科研人員，讓他們更加專注于研究工作。
“老玩家”看中國電鏡事業(yè)
作為透射電鏡“老玩家”，袁建忠也談了對中國電鏡事業(yè)發(fā)展的看法：“其實任何行業(yè)的發(fā)展都離不開利潤，一個行業(yè)沒有利潤則沒有任何發(fā)展”。中國電鏡行業(yè)同樣如此。材料透射電鏡利潤只有5%，全世界每年300臺的銷量、極低的利潤和極高的研發(fā)投入，勸阻了想要進入此行業(yè)的大部分廠商。“除了對透射電鏡行業(yè)有極大抱負的人以外，我想很難有新的企業(yè)進入”袁建忠說到。
與透射電鏡不同，掃描電鏡由于技術含量較低，研發(fā)投入與利潤之間取得了較好的平衡，因此生產掃描電鏡的廠商較多，而且中國廠商在這一領域取得了一定的成績。“當然，任何一家廠商的發(fā)展需要不斷往里投入，只有不斷發(fā)展新技術才能。因此我希望大家能夠支持中國電鏡行業(yè)的發(fā)展，共同推動中國科技事業(yè)進步，將中國打造成科技強國”袁建忠說到。
不平凡的2020
2020年極為不平凡，新冠疫情的爆發(fā)打亂了社會活動。日本電子也不例外，在疫情初期受到了疫情的影響，“依托于極為發(fā)達互聯(lián)網，員工通過視頻等方式，實現了公司日常事務正常進行。工程師通過遠程指導方式，實現對用戶的支持，保證他們的實驗順利進行”袁建忠說到。
新冠疫情的爆發(fā)為公司的日常運營帶來了挑戰(zhàn)，但對于公司員工來說更是一場特殊的鍛煉?！巴ㄟ^這場鍛煉，員工學會了如何利用新的工具與客戶溝通、交流，同時又確保達到效果，這在以前是難以想象的”袁建忠說到。對于管理層而言，如何保證在疫情期間保證員工健康安全、保證公司銷售等，同樣是全新的挑戰(zhàn)。最后，袁建忠表示：“通過這次疫情的考驗，我們的團隊變得更加團結，更加珍惜來之不易的成績。希望在2021年，日本電子能取得更好的成績，為中國科研人員帶來新的電鏡產品，幫助他們取得更好的科研成果，共同推動中國科技的發(fā)展”。
400-6699-117 轉 6205
