用“慧眼”探秘世界

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學工程技術研究所（簡稱“蘇州醫工所”）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“超分辨顯微光學核心部件及系統研制”項目負責人、蘇州醫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品”。這意味著，我國終于掌握高端光學顯微鏡核心技術，將為相關前沿領域的原創性研究提供重要技術支持。

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，進而發現了細胞。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，第一次發現了細菌和微生物，但不久卻遭遇冰冷的現實：由于存在一道無法逾越的“墻”——光學衍射極限，傳統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。“由于需要抽出真空，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、醫學方面的研究，更希望在生命體存活的自然狀態下觀察。對此，光學顯微鏡擁有先天優勢。”唐玉國解釋。

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“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，卻僅能生產中低端產品。據有關統計，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的缺失，嚴重制約了相關前沿領域的重大科學發現和技術創新。

唐玉國說，在當今生物學和基礎醫學研究中，超分辨光學顯微鏡發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性研究成果的重要手段。

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

開展超分辨光學顯微鏡關鍵技術研究時不我待。2014年，蘇州醫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研制”發起“進攻”。

歷時5年攻關，蘇州醫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構，但看不了尺度100納米以內的細節結構;而STED顯微鏡成像分辨率能達到50納米，但成像深度很淺。”蘇州醫工所研究員張運海告訴筆者，在一些腦科學研究中，經常需要觀察一些比較厚的腦切片結構，如果用兩臺顯微鏡分別觀察深層結構和100納米以內的細節結構，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構和表層感興趣區域的精細結構。”張運海說。

3.找回失去的“陣地”

大數值孔徑物鏡，這是讓唐玉國心存自豪的一項重大創新。

“數值孔徑是物鏡的主要參數，也是衡量顯微鏡性能的重要指標，數值孔徑越大，顯微鏡的分辨力越高。”唐玉國說，物鏡數值孔徑一般為0.05～0.95，采用十幾片玻璃鏡片疊加校正的方式。對此，蘇州醫工所突破了制約我國超分辨光學顯微鏡制造的瓶頸技術，研制出我國首個具有自主知識產權的數值孔徑為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，“有了蘇州醫工所研發的這雙‘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，進一步觀察細胞內部的精細結構及其變化、運動狀態，并有望將其應用到臨床研究中，觀察藥物是如何進入并作用于細胞的，從而助力新藥研發。”

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鍵部件已有部分成果實現銷售，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，北京大學、中國科學院神經科學研究所等國內科研機構也已使用該設備。

更重要的是，一些應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育生物學中的基本現象，研究潛在調控機制。中國科學院上海藥物研究所應用高端光學顯微鏡觀察藥物胞內靶向定位和輸送，加速創新性新藥研發。美國斯坦福大學、日本東京大學等專業實驗室利用雙光子顯微成像技術進行了信息識別、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元活動成像數據。

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

結合工程化及成果轉化創新模式，蘇州醫工所實現了科技成果在研發平臺、工程化平臺、產業化平臺、市場平臺的高效對接。下一步，唐玉國計劃通過系列化、組合化的產品布局，對顯微鏡系統和核心部件進行工程化、產業化，力爭將失去的“陣地”一點點找回來。