沈慧

0.1毫米，這是人類肉眼分辨的極限，如果想看得更小、更清，就需要借力探微神器——顯微鏡。前不久，中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術(shù)研究所（簡稱“蘇州醫(yī)工所”）承擔的國家重大科研裝備研制項目——“超分辨顯微光學核心部件及系統(tǒng)研制”通過驗收，標志著我國具備了研制高端超分辨光學顯微鏡的能力

據(jù)“超分辨顯微光學核心部件及系統(tǒng)研制”項目負責人、蘇州醫(yī)工所所長唐玉國介紹，“與以往的光學顯微鏡相比，我們自主研發(fā)的超分辨光學顯微鏡，其成像分辨率從200～300納米提高到了50納米，性能指標可媲美國際主流產(chǎn)品”。這意味著，我國終于掌握高端光學顯微鏡核心技術(shù)，將為相關(guān)前沿領(lǐng)域的原創(chuàng)性研究提供重要技術(shù)支持。

1.探秘微觀世界的神器

為看清變幻莫測的大千世界，1665年，英國科學家羅伯特·虎克制造了第一臺用于科學研究的光學顯微鏡，用以觀察薄薄的軟木塞切片，進而發(fā)現(xiàn)了細胞。這一對未知的探索讓人們接觸到顯微鏡下的一個微觀世界，猶如一束光照進黑不見底的深淵，點燃了科學家們研發(fā)光學顯微鏡的熱情。

借助光學顯微鏡，科學家們在微觀世界里縱橫馳騁，第一次發(fā)現(xiàn)了細菌和微生物，但不久卻遭遇冰冷的現(xiàn)實：由于存在一道無法逾越的“墻”——光學衍射極限，傳統(tǒng)光學顯微鏡的分辨率只能達到200納米（0.2微米）左右。換句話說，如果物體小于0.2微米，通過光學顯微鏡將僅能看到一個模糊的光斑，科學家因而無法從分子層面研究活細胞。

隨著科學家們不斷努力，后來誕生了電子顯微鏡等微觀觀測設(shè)備，借助它，人們可以看得更小更清。比如，一粒一粒的原子。不過，尺有所短寸有所長，目前已將分辨率做到幾納米的電子顯微鏡也存有劣勢?！坝捎谛枰槌稣婵?，電子顯微鏡只能用來觀測固體標本，不能用于活體觀測。而對于生物學、醫(yī)學方面的研究，更希望在生命體存活的自然狀態(tài)下觀察。對此，光學顯微鏡擁有先天優(yōu)勢?！碧朴駠忉?。

2014年，3位科學家打破了光學衍射極限——讓光學顯微得以窺探納米世界。這意味著，在只有約200納米的全球最小細菌面前，人類終于借助光學顯微鏡看清了他們的生動面目。

2.練就一雙“火眼金睛”

因為有了光學顯微鏡，曾經(jīng)“霧里看花”般的微觀世界日漸清晰。然而有些尷尬的是，我國雖是光學顯微鏡消費大國，卻僅能生產(chǎn)中低端產(chǎn)品。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，目前我國使用的高端光學顯微鏡幾乎全部來自徠卡、蔡司、尼康和奧林巴斯等外國公司。

由此帶來的結(jié)果是，高端光學顯微鏡進口價格動輒兩三百萬元，部分種類高達七八百萬元。更不利的是，作為生命科學和材料科學研究的利器，光學顯微鏡研制核心技術(shù)的缺失，嚴重制約了相關(guān)前沿領(lǐng)域的重大科學發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新。

唐玉國說，在當今生物學和基礎(chǔ)醫(yī)學研究中，超分辨光學顯微鏡發(fā)揮著不可替代的作用。其中，10～100納米尺度的超分辨顯微光學成像是取得原創(chuàng)性研究成果的重要手段。

在微生物學領(lǐng)域，科學家對微生物的活體動態(tài)觀察有望揭示許多重要生命現(xiàn)象;在細胞生物學領(lǐng)域，科學家可以觀察細胞內(nèi)特定蛋白質(zhì)的亞細胞定位，及其在細胞器組裝中的動態(tài)變化;還可以揭示病毒入侵細胞的機制，以及神經(jīng)元細胞互聯(lián)機制等，以便深入研究一些重大疾病的發(fā)生機理。

開展超分辨光學顯微鏡關(guān)鍵技術(shù)研究時不我待。2014年，蘇州醫(yī)工所瞄準國家重大儀器專項——“超分辨顯微光學核心部件及系統(tǒng)研制”發(fā)起“進攻”。

歷時5年攻關(guān)，蘇州醫(yī)工所科研人員研制出包括激光掃描共聚焦顯微鏡、雙光子顯微鏡、受激發(fā)射損耗（STED）超分辨顯微鏡、雙光子-STED顯微鏡等4類高端光學顯微鏡，突破光學衍射極限，將分辨率從200納米逐步做到了50納米。

“雙光子和STED兩種顯微鏡并不鮮見，但將兩者有機融合還是首次。因為兩者各有利弊，比如，雙光子顯微鏡能看到樣本中深層結(jié)構(gòu)，但看不了尺度100納米以內(nèi)的細節(jié)結(jié)構(gòu);而STED顯微鏡成像分辨率能達到50納米，但成像深度很淺。”蘇州醫(yī)工所研究員張運海告訴筆者，在一些腦科學研究中，經(jīng)常需要觀察一些比較厚的腦切片結(jié)構(gòu)，如果用兩臺顯微鏡分別觀察深層結(jié)構(gòu)和100納米以內(nèi)的細節(jié)結(jié)構(gòu)，需把樣品從一臺顯微鏡挪動到另一臺顯微鏡，如此一來，就找不到原來觀察的位置了，很容易產(chǎn)生誤差。

“有了這臺雙光子-STED顯微鏡，科學家就可以方便地觀察深層結(jié)構(gòu)和表層感興趣區(qū)域的精細結(jié)構(gòu)?！睆堖\海說。

3.找回失去的“陣地”

大數(shù)值孔徑物鏡，這是讓唐玉國心存自豪的一項重大創(chuàng)新。

“數(shù)值孔徑是物鏡的主要參數(shù)，也是衡量顯微鏡性能的重要指標，數(shù)值孔徑越大，顯微鏡的分辨力越高?！碧朴駠f，物鏡數(shù)值孔徑一般為0.05～0.95，采用十幾片玻璃鏡片疊加校正的方式。對此，蘇州醫(yī)工所突破了制約我國超分辨光學顯微鏡制造的瓶頸技術(shù)，研制出我國首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)值孔徑為1.45的物鏡。

這代表著什么？唐玉國打了個比方：普通的顯微鏡只能看清細胞這一層面，超分辨光學顯微鏡則是火眼金睛，“有了蘇州醫(yī)工所研發(fā)的這雙‘慧眼，科學家們可以對活體細胞開展分子水平上的研究。比如，進一步觀察細胞內(nèi)部的精細結(jié)構(gòu)及其變化、運動狀態(tài)，并有望將其應(yīng)用到臨床研究中，觀察藥物是如何進入并作用于細胞的，從而助力新藥研發(fā)。”

時光不負情深。如今，“超分辨光學顯微鏡”項目研制的顯微鏡和關(guān)鍵部件已有部分成果實現(xiàn)銷售，包括雙光子顯微鏡已銷往德國、以色列、美國等的多家國外研究機構(gòu)，北京大學、中國科學院神經(jīng)科學研究所等國內(nèi)科研機構(gòu)也已使用該設(shè)備。

更重要的是，一些應(yīng)用已取得了部分成果。中國科學院動物研究所利用高端光學顯微鏡觀察發(fā)育生物學中的基本現(xiàn)象，研究潛在調(diào)控機制。中國科學院上海藥物研究所應(yīng)用高端光學顯微鏡觀察藥物胞內(nèi)靶向定位和輸送，加速創(chuàng)新性新藥研發(fā)。美國斯坦福大學、日本東京大學等專業(yè)實驗室利用雙光子顯微成像技術(shù)進行了信息識別、行為控制等腦科學核心問題的研究，以及動物在體成像實驗，獲得了高分辨實時神經(jīng)元活動成像數(shù)據(jù)。

此外，項目成果中具有自主知識產(chǎn)權(quán)的特種LED光源體系已具備國際競爭力，支撐了包括新一代投影、光醫(yī)療儀器以及遠程照明等新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展;共聚焦顯微鏡也已完成工程化，將進行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和銷售。

結(jié)合工程化及成果轉(zhuǎn)化創(chuàng)新模式，蘇州醫(yī)工所實現(xiàn)了科技成果在研發(fā)平臺、工程化平臺、產(chǎn)業(yè)化平臺、市場平臺的高效對接。下一步，唐玉國計劃通過系列化、組合化的產(chǎn)品布局，對顯微鏡系統(tǒng)和核心部件進行工程化、產(chǎn)業(yè)化，力爭將失去的“陣地”一點點找回來。