用“慧眼”探秘世界

沈慧

0.1毫米，這是人類(lèi)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(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所（簡(jiǎn)稱(chēng)“蘇州醫(yī)工所”）承擔(dān)的國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目——“超分辨顯微光學(xué)核心部件及系統(tǒng)研制”通過(guò)驗(yàn)收，標(biāo)志著我國(guó)具備了研制高端超分辨光學(xué)顯微鏡的能力

據(jù)“超分辨顯微光學(xué)核心部件及系統(tǒng)研制”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、蘇州醫(yī)工所所長(zhǎng)唐玉國(guó)介紹，“與以往的光學(xué)顯微鏡相比，我們自主研發(fā)的超分辨光學(xué)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(biāo)可媲美國(guó)際主流產(chǎn)品”。這意味著，我國(guó)終于掌握高端光學(xué)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(guān)世界的神器

為看清變幻莫測(cè)的大千世界，1665年，英國(guó)科學(xué)家羅伯特·虎克制造了第一臺(tái)用于科學(xué)研究的光學(xué)顯微鏡，用以觀(guān)察薄薄的軟木塞切片，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞。這一對(duì)未知的探索讓人們接觸到顯微鏡下的一個(gè)微觀(guān)世界，猶如一束光照進(jìn)黑不見(jiàn)底的深淵，點(diǎn)燃了科學(xué)家們研發(fā)光學(xué)顯微鏡的熱情。

借助光學(xué)顯微鏡，科學(xué)家們?cè)谖⒂^(guān)世界里縱橫馳騁，第一次發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌和微生物，但不久卻遭遇冰冷的現(xiàn)實(shí)：由于存在一道無(wú)法逾越的“墻”——光學(xué)衍射極限，傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的分辨率只能達(dá)到200納米（0.2微米）左右。換句話(huà)說(shuō)，如果物體小于0.2微米，通過(guò)光學(xué)顯微鏡將僅能看到一個(gè)模糊的光斑，科學(xué)家因而無(wú)法從分子層面研究活細(xì)胞。

隨著科學(xué)家們不斷努力，后來(lái)誕生了電子顯微鏡等微觀(guān)觀(guān)測(cè)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(guò)，尺有所短寸有所長(zhǎng)，目前已將分辨率做到幾納米的電子顯微鏡也存有劣勢(shì)。“由于需要抽出真空，電子顯微鏡只能用來(lái)觀(guān)測(cè)固體標(biāo)本，不能用于活體觀(guān)測(cè)。而對(duì)于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)方面的研究，更希望在生命體存活的自然狀態(tài)下觀(guān)察。對(duì)此，光學(xué)顯微鏡擁有先天優(yōu)勢(shì)?！碧朴駠?guó)解釋。

2014年，3位科學(xué)家打破了光學(xué)衍射極限——讓光學(xué)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(xì)菌面前，人類(lèi)終于借助光學(xué)顯微鏡看清了他們的生動(dòng)面目。

2.練就一雙“火眼金睛”

因?yàn)橛辛斯鈱W(xué)顯微鏡，曾經(jīng)“霧里看花”般的微觀(guān)世界日漸清晰。然而有些尷尬的是，我國(guó)雖是光學(xué)顯微鏡消費(fèi)大國(guó)，卻僅能生產(chǎn)中低端產(chǎn)品。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)使用的高端光學(xué)顯微鏡幾乎全部來(lái)自徠卡、蔡司、尼康和奧林巴斯等外國(guó)公司。

由此帶來(lái)的結(jié)果是，高端光學(xué)顯微鏡進(jìn)口價(jià)格動(dòng)輒兩三百萬(wàn)元，部分種類(lèi)高達(dá)七八百萬(wàn)元。更不利的是，作為生命科學(xué)和材料科學(xué)研究的利器，光學(xué)顯微鏡研制核心技術(shù)的缺失，嚴(yán)重制約了相關(guān)前沿領(lǐng)域的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新。

唐玉國(guó)說(shuō)，在當(dāng)今生物學(xué)和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中，超分辨光學(xué)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(xué)成像是取得原創(chuàng)性研究成果的重要手段。

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

開(kāi)展超分辨光學(xué)顯微鏡關(guān)鍵技術(shù)研究時(shí)不我待。2014年，蘇州醫(yī)工所瞄準(zhǔn)國(guó)家重大儀器專(zhuān)項(xiàng)——“超分辨顯微光學(xué)核心部件及系統(tǒng)研制”發(fā)起“進(jìn)攻”。

歷時(shí)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(lèi)高端光學(xué)顯微鏡，突破光學(xué)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(jiàn)，但將兩者有機(jī)融合還是首次。因?yàn)閮烧吒饔欣?，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?xún)?nèi)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu);而STED顯微鏡成像分辨率能達(dá)到50納米，但成像深度很淺?！碧K州醫(yī)工所研究員張運(yùn)海告訴筆者，在一些腦科學(xué)研究中，經(jīng)常需要觀(guān)察一些比較厚的腦切片結(jié)構(gòu)，如果用兩臺(tái)顯微鏡分別觀(guān)察深層結(jié)構(gòu)和100納米以?xún)?nèi)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，需把樣品從一臺(tái)顯微鏡挪動(dòng)到另一臺(tái)顯微鏡，如此一來(lái)，就找不到原來(lái)觀(guān)察的位置了，很容易產(chǎn)生誤差。

“有了這臺(tái)雙光子-STED顯微鏡，科學(xué)家就可以方便地觀(guān)察深層結(jié)構(gòu)和表層感興趣區(qū)域的精細(xì)結(jié)構(gòu)。”張運(yùn)海說(shuō)。

3.找回失去的“陣地”

大數(shù)值孔徑物鏡，這是讓唐玉國(guó)心存自豪的一項(xiàng)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(biāo)，數(shù)值孔徑越大，顯微鏡的分辨力越高。”唐玉國(guó)說(shuō)，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(duì)此，蘇州醫(yī)工所突破了制約我國(guó)超分辨光學(xué)顯微鏡制造的瓶頸技術(shù)，研制出我國(guó)首個(gè)具有自主知識(shí)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(guó)打了個(gè)比方：普通的顯微鏡只能看清細(xì)胞這一層面，超分辨光學(xué)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(xué)家們可以對(duì)活體細(xì)胞開(kāi)展分子水平上的研究。比如，進(jìn)一步觀(guān)察細(xì)胞內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其變化、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并有望將其應(yīng)用到臨床研究中，觀(guān)察藥物是如何進(jìn)入并作用于細(xì)胞的，從而助力新藥研發(fā)?！?/p>

時(shí)光不負(fù)情深。如今，“超分辨光學(xué)顯微鏡”項(xiàng)目研制的顯微鏡和關(guān)鍵部件已有部分成果實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售，包括雙光子顯微鏡已銷(xiāo)往德國(guó)、以色列、美國(guó)等的多家國(guó)外研究機(jī)構(gòu)，北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所等國(guó)內(nèi)科研機(jī)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(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所利用高端光學(xué)顯微鏡觀(guān)察發(fā)育生物學(xué)中的基本現(xiàn)象，研究潛在調(diào)控機(jī)制。中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所應(yīng)用高端光學(xué)顯微鏡觀(guān)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(guó)斯坦福大學(xué)、日本東京大學(xué)等專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室利用雙光子顯微成像技術(shù)進(jìn)行了信息識(shí)別、行為控制等腦科學(xué)核心問(wèn)題的研究，以及動(dòng)物在體成像實(shí)驗(yàn)，獲得了高分辨實(shí)時(shí)神經(jīng)元活動(dòng)成像數(shù)據(jù)。

此外，項(xiàng)目成果中具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的特種LED光源體系已具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，支撐了包括新一代投影、光醫(yī)療儀器以及遠(yuǎn)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(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和銷(xiāo)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(shí)現(xiàn)了科技成果在研發(fā)平臺(tái)、工程化平臺(tái)、產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)、市場(chǎng)平臺(tái)的高效對(duì)接。下一步，唐玉國(guó)計(jì)劃通過(guò)系列化、組合化的產(chǎn)品布局，對(duì)顯微鏡系統(tǒng)和核心部件進(jìn)行工程化、產(chǎn)業(yè)化，力爭(zhēng)將失去的“陣地”一點(diǎn)點(diǎn)找回來(lái)。