交叉学科冷冻透射电镜平台管理优化与实践

李 昂， 卢 静， 张希浩

（南开大学药物化学生物学国家重点实验室，天津 300350）

0 引言

十九大报告提出，建设高等教育强国要“加快一流大学和一流学科建设，实现高等教育内涵式发展”［1］。4年之后，习近平总书记在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会、中国科协第十次全国代表大会上的讲话中着重指出了“发挥基础研究深厚、学科交叉融合的优势”在高水平研究型大学建设发展中的重要性［2］。由此可见，作为“双一流”建设的重要途径，学科交叉鼓励不同学科研究人员突破单一学术领域的界限，对重大科学问题进行综合性研究，已成为众多双一流高校/专业竞相打造的特色所在［3］。各学科领域独具特色，又同时聚焦前沿科学问题，使交叉学科研究平台在人才培养、前沿科学研究与重大科技攻关等方面发挥着举足轻重的作用［4，5］。作为交叉学科研究平台的重要保障，共享实验与科研仪器平台是促进学科交叉融合的重要舞台，也是学科交叉融合背景下产生原创性科研成果的重要基石［6］。借助多学科协作的强大硬件条件和技术力量，科学规划建设、合理配置资源，逐步构建适应多学科交叉背景的共享实验与科研仪器平台成为当下的重要任务［7-8］。

为响应国家发展生物医药产业研究的重大战略需求，科技部依托南开大学成立药物化学生物学国家重点实验室，旨在发挥生命科学、化学、医学、药学等多学科及其交叉融合优势，在重大疾病机制探究、药物设计合成、药物递送、生物影像等方面获得原始创新突破［8］。药物化学生物学国家重点实验室拥有独立大型仪器测试分析平台，下设生物冷冻透射电子显微镜平台，现配有FEI公司Talos F200C型（200 kV）与Thermo Fisher公司Talos L120C型（120 kV）生物冷冻透射电子显微镜（后文简称“冷冻电镜”），双机并行使用。有别于校内其他透射电镜类设备（见表1），本机组具有低辐照模式、冷冻样品传输、液氮低温保持、程序化冷冻制样等多项独有功能，特别适用于亚纳米结构大分子与大分子复合物结构数据收集与解析，在结构生物学领域有突出特长。与清华大学、国家蛋白质科学中心、中国科学院生物物理研究所等机构专属结构生物学冷冻电镜中心不同［9-10］，药物化学生物学国家重点实验室研究方向同时涉及如化学、材料科学、药学、医学等学科领域，这些学科的教学科研活动对冷冻电镜需求同样强烈，使用模式与技术标准也不尽相同。因此，针对药物化学生物学国家重点实验室多学科多元化的研究方向及校内外相关其他测试需求，如何优化管理模式，平衡各学科测试需求，达到资源高效共享，使日常科研工作得到强有力支撑，是学科交叉大环境下面临的实际问题。

表1 南开大学校内其他透射电镜类设备

1 透射电镜平台传统运行模式在交叉学科环境下的弊端

学科交叉是解决许多尖端前沿科学问题的重要途径，科学研究在质与量方面的逐步升级催生了测试技术、仪器性能的快速更新换代。在这样的大背景下，透射电镜，特别是生物冷冻透射电镜的测试服务与管理工作遭遇了许多新的问题与挑战，关于冷冻电镜平台运行模式的优化迫在眉睫。通过业内调研发现，国内外透射电镜测试平台运行情况总体良好，但传统运行模式面对交叉学科用户时已逐渐暴露了诸多弊端：

（1）2016年前，透射电镜类仪器多以单机运行为主，集群化趋势不明显，服务对象专业分布相对集中，这导致其预约使用仍然遵循“用户送样-管理员测试-维保关停”的传统模式，与其他大型设备基本无异。生物冷冻透射电子显微术普及之后，购置单位常采用多机集群化联动的使用模式［11］。应对此趋势的相关管理策略更新略显不足。

（2）用户来自多学科，面向各学科测试需求的设备工作模式也不相同。例如：生命科学样品筛查服务不需详尽数据分析与细节拍摄，耗时极短；蛋白质数据收集单样品耗时约4～8 h，但可无人值守；化学、材料科学中物质形貌观测耗时不长，但图片质量要求高，十分依赖操作者的操作经验；医学组织样本需在取出后几分钟内立即进行冷冻切片拍摄。

（3）用户学科背景不同，专业基础培养中在仪器分析侧重不同。由于专业知识基础与冷冻电镜实际操作之间存在不同程度的盲区，用户一方由于学科基础知识造成的理解不足很难通过次数有限的公开讲座、培训等形式解决。前处理不完善导致测试提前终止，不符合仪器性能指标的送样乃至预约失误等现象偶有发生，被无效占用的“死机时”比例升高。

（4）冷冻电镜单台套设备价格昂贵、维修维护成本高、周期长。设备操作技术要求高，经验性精细操作较多，培训开放使用需极其慎重［12-15］。新型号设备趋于模块化设计组装工艺，使用中的小故障极易引发相关模块化组件的连带损伤，故障的快速响应处理显得尤为重要。

（5）组合型交叉研究过程中多设备联用表征手段日趋成熟，平台化安置大型仪器也为用户短时间多表征手段串联应用的创造了客观条件［16］。协调用户在同一时间针对同一样本在多台大型设备间协同测试是当今大型仪器平台管理中的新课题。

（6）生物冷冻透射电子显微术普及后，样品前处理过程专用试剂中含有易燃危化品（如乙烷）与管制化学品（如乙酸铀酰），这些试剂药品保存使用均需格外引起重视。

（7）电镜测试时常出现使用时间与预约情况的微小偏差（小于10 min），单纯使用统计软件中的机时预约一定程度上限制了用户使用的灵活性，同时系统产生的“爽约、迟到、超时”等标签记录对用户日后的使用带来潜在影响。

2 打造适应交叉学科研究的特色冷冻电镜测试平台

综合分析这些不足之处不难发现，产生弊端的核心在于传统透射电镜平台的管理策略立足于单台套设备本身，对学科间互动、设备间联动兼容性较差。相对单一的管理策略突出了时间维度（工作时间与非工作时间等）与空间维度（仪器设备地理位置不可移动等）的限制，直接造成设备有效工作时间不足，故障率高，预约使用体验不良等问题。这些问题在面对交叉学科环境时将会被进一步放大。为此，我们尝试“因学科施策”的策略，以学科为导向针对人员、使用场景实行差异化管理。

2.1 完善规章制度，确保安全操作底线

安全重于一切。电镜实验室始终将安全工作摆在管理工作的首位。关于防火、防盗、防跑冒、安全用电、压力容器、危化品管理、应急物品设置等一切实验室安全相关的规章制遵循实验室、学院及学校的高标准向上兼容原则。仪器安全操作流程、常见故障分析与排除技巧、离岗必查清单等指南类资料装订成册置于醒目位置。安全检查记录与监控资料由楼宇物业定期存档，统一保管待查。做到制度完善，流程精准，责任到人，防患未然，有档可查。

2.2 组建专业兼容性强的团队

考虑到透射电镜测试平台服务对象专业范围广、专业知识储备与透射电镜相关基础匹配度不一等客观因素。截至2020年底，遴选并组建了一支由专职仪器管理员（2人）、高级单人用户（4人）、勤工俭学助管研究生（4人）、备用技术顾问（1人）及远程在线工程师（1人）共12人组成的常驻运维团队，组员之间不定期以现场讨论、腾讯会议、微信视频通话等形式进行技术交流，必要时“直接上阵以赛代练”。团队中2人具有博士学位，2人具有硕士学位，3人博士研究生在读，5人硕士研究生在读，专业领域涵盖生命科学（4人）、化学（3人）、药学（2人）、材料科学（1人）、医学（1人）、数理与大数据科学（1人）。管理团队组员学科覆盖面广，在熟练掌握基本操作的基础上对各自所属学科样品测试技巧、数据评价经验丰富，专业技术与个人学术水平获用户广泛认可。团队中8人居住生活于电镜室所在位置1500 m内。可24 h全时段保证意外情况（如突发停电、空调失灵等）发生时能有不少于2人迅速到达透射电镜场地进行处置，有效降低了仪器连带损坏的风险。

2.3 具有多种新模式的创新预约体验

实现透射电镜测试平台的高效运营，合理化预约与机时分配是关键性一环。为实现合理高效机时分配，采用大型仪器管理网站-微信群-人工分配的线上线下组合预约方式，充分发挥大型仪器管理网站的公示、收费、统计功能，又可灵活摆脱预约系统机械的分秒限制、用户抢线登录等难题。用户定期（每周日14：00）使用微信群报备未来一周使用需求，包含测试模式、样品类型及数量、前处理需求等信息。由管理员收集并作如下3类操作：

（1）分机。清晰了解使用需求后，根据不同测试需求在2台透射电镜进行分配，实现接近100%专机专用。F200C电镜极限分辨率高（放大倍数＞510k倍），可在无人值守条件下实现软件自动数据采集功能，可专用于数据收集与高精度形貌拍摄任务。L120C电镜辐照强度低，样品损伤小，程序简单快速，软硬件容错性好，但极限分辨率不足（放大倍数＜390k倍），更加适用于树脂切片样本、普通材料形貌拍摄与样品筛查使用。当发现待测样本不符合本平台仪器专长或属于本平台禁止的样品类型（如铁磁性样品）时，管理员将第一时间与预约人联系，提出与校内其他透射电镜实验室、校外实验室或测试服务机构的样品分流建议，条件允许时协助联络，从根本上杜绝预约错误的现象。

（2）预约。与校、院两级（南开大学、药物化学生物学国家重点实验室）大型仪器管理平台，特别是存放于同一楼宇内其他类别仪器联动预约：当预约者与其他实验设备（如粒度分析、动/静态激光散射、红外照射、高温孵育、超高速离心等）联合获取测试结果时，与其他设备管理员协商实验先后顺序，按照使用预约“宽松服从紧张”的原则优先确定并安排在电镜平台的测试时间。尽量使用户享受“一站式”串联测试服务，尽可能缩短多项测试间的时间间隔，降低搁置等待对待测样本的未知影响。

（3）灵活可变。将耗时短、所在地理位置近、无法自行操作但测试时间灵活可变的“自由预约者”单独列出清单，不将其纳入公示范围，在其他用户的测试间歇时间由管理员单独联系测试。这一做法填充了大量因测试中止，预约失误及其他意外情况导致产生的无效“死机时”，向“人停机不停”的高效使用目标靠拢。

完成上述步骤后，根据前处理需求安排统一样品制备时间（一般为工作日9：30、13：30）。依照表2所示的原则综合研判所有预约需求确定机时分配结果，成稿后公示并执行。

表2 常见样品机时分配原则

2.4 严格培训，适度开放，双机多场景并行使用

为实现多机低故障率高效并行，尝试“少而精”的用户培训，除全职设备管理员与勤工助管外，全校用户中遴选8名高频用户进行综合培训。经过理论讲解、上机演示、有监督独自上机、无监督独自上机等步骤（累计时长不少于30 h），培训对象经管理员认可后签署仪器安全操作承诺，成为高级个人用户，拥有非工作时间独立上机资格。目前已有4人获得完全独立操作权限。在日常使用中，工作时间内无人值守数据采集与依赖管理员的测试分机平行进行，随叫随到“自由预约者”测试穿插于其中。晚间，高耗时无人值守测试与高级个人用户的独立上机分机平行进行，化“间歇型”为“连续型”，实现多人双机最大化协同工作。

3 优化管理模式的成效

随着优化模式的不断推进，电镜平台在仪器用量、使用效率、科研支撑、人才培养方面均获得显著提升。自2017年起，合理化的预约与机时分配制度将越来越多的“死机时”重新盘活，使冷冻电镜平台年使用机时逐年稳步上升。2020年相较2017年机组平均运行机时增幅达31%，测样数增加2.47倍。（见表3）保守预计这两项数据在2021年底将突破45%和4倍。运行效率提高后，冷冻电镜平台年支撑项目数由174稳步提升至217，进入了用量增-用户增-潜在用户也在增的良性运转模式。2017年后，平台直接服务师生756人，年均服务人数呈递增态势。值得注意的是，毕业后继续从事所在领域研究的同学多数仍选择作为“回头客”返回平台进行测试。助管研究生应聘透射电镜相关技术岗位时顺利通过技术考核，技术水平获得用人单位面试团队认可。可见平台的优化运营模式在技术型人才培养及辅助学生就业起到积极作用。

表3 2017年至今机组运行情况

电镜平台测试服务在多学科间比例处于动态变化中。总体上，生命科学、药学、化学3个学科是电镜平台服务的3个“大客户”。结合机组运行时间数据不难看出，2017、2018年生命科学机时占比一枝独秀，主要来源于高耗时数据采集及其带来的“死机时”效应，管理模式优化后得以改观，总机时不降反增的情况下，药学与化学学科的占比逐年上升。这表明冷冻电镜平台在服务生命科学学科机时不发生明显缩减的情况下，对药学、化学等学科的支撑实现了净增加。在2020、2021年度，药、化、生三学科机时占比趋于平均，表明本平台已很好地融入并适应了学科交叉的大环境，正在为多学科提供优质均衡的科研支撑服务。

4 结语

营造多元化使用场景，对冷冻电镜平台传统运行模式进行优化，满足了一线科研人员的技术需求，也迎合了促进多学科间交叉融合交流的时代需求。结合传统电子显微镜平台运行管理中的现实问题，在近4年的冷冻电镜管理工作中探索“因学科施策”的优化策略，使平台在机时总量、运行效率、科研支撑、人才培养等方面均呈现平稳健康的运行发展态势，对参与交叉的多学科实现了测试服务的均衡分配。平台将继续探索运行管理中的模式优化，提高设备的利用效率和质量，支撑更多高水平的科研工作以及人才培养工作，为用户提供更好的服务。