匡翠方：讓國(guó)產(chǎn)高端光學(xué)顯微鏡走向世界

王涵

2018年，世界衛(wèi)生組織公布數(shù)據(jù)顯示，全球有1810萬(wàn)癌癥患者，其中960萬(wàn)人死于癌癥。而在我國(guó)，幾乎平均每分鐘就有7.5人被確診為癌癥患者，每分鐘有4.5人被癌癥奪去寶貴的生命。在2020年的2月4日，世界癌癥日之際，世衛(wèi)組織更是發(fā)出警告，如按目前趨勢(shì)繼續(xù)下去，未來(lái)20年，全球癌癥病例將增加60%。

這一連串的數(shù)字，讓人震驚之余更感心痛。為什么會(huì)有這樣的情況發(fā)生？癌癥的機(jī)理是什么？如何準(zhǔn)確地去診療癌癥？在回答這些問(wèn)題前，人類首先要明白癌癥細(xì)胞的生長(zhǎng)演變過(guò)程，清楚癌癥細(xì)胞中蛋白質(zhì)等微細(xì)的結(jié)構(gòu)。但細(xì)胞生命活動(dòng)的眾多反應(yīng)都發(fā)生在各細(xì)胞器中（如基因的轉(zhuǎn)錄、蛋白的合成與運(yùn)輸、物質(zhì)的交換等），其尺度均在納米量級(jí)。因此，納米尺度超高分辨率顯微鏡成為細(xì)胞觀測(cè)的重要工具。它的研發(fā)將有力地促進(jìn)疾病的診斷、療效的監(jiān)測(cè)、新藥物的開(kāi)發(fā)等。

在各種類型的顯微鏡中，電子顯微鏡和原子顯微鏡雖擁有超高分辨率，但它們都有一個(gè)最大的缺點(diǎn)——難以進(jìn)行活體細(xì)胞的觀測(cè)。傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡雖然可以克服這個(gè)缺點(diǎn)，但在應(yīng)用方面存在著諸多限制，例如樣品普適性差、分辨率偏低、信息維度單一等。這些難以逾越的障礙就像魔咒一樣束縛了科學(xué)家的思維。為了破解魔咒，他們不斷地努力著，浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院教授匡翠方正是其中之一。

推動(dòng)高端光學(xué)顯微鏡產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

白駒過(guò)隙，彈指一揮間，2020年已是匡翠方來(lái)到浙江大學(xué)的第11個(gè)年頭了。翻看他的履歷，似乎與“浙江”并沒(méi)有多大關(guān)聯(lián)：2007年，獲得北京交通大學(xué)物理系博士學(xué)位；2008年，在北京理工大學(xué)光電系完成博士后研究工作；同年，遠(yuǎn)赴美國(guó)南卡羅萊納大學(xué)（University of South Carolina）進(jìn)一步深造，2010年完成該校機(jī)械工程系博士后研究工作。當(dāng)被問(wèn)到為何在回國(guó)后直接選擇了浙江大學(xué)時(shí)，匡翠方解釋道：“在國(guó)內(nèi)各高校和科研院所中，浙江大學(xué)在光學(xué)工程研究方面一直都處于領(lǐng)先水平，有優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)研究環(huán)境，非常關(guān)注超分辨率成像的研究，并對(duì)超分辨率成像團(tuán)隊(duì)提供了極大的支持。當(dāng)時(shí)浙大的劉旭老師已經(jīng)開(kāi)始著手相關(guān)研究，急需相關(guān)人才，便向?qū)W院領(lǐng)導(dǎo)推薦了我。再加上我的妻子也在浙江工作。不論對(duì)于工作還是家庭，來(lái)浙江大學(xué)都是一個(gè)很好的選擇。”

匡翠方主要從事的是超分辨成像方面的研究。在這11年里，他先后參與和主持了浙江大學(xué)“紫金計(jì)劃”項(xiàng)目、現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自立項(xiàng)項(xiàng)目“基于微納結(jié)構(gòu)受激發(fā)射損耗超分辨率熒光顯微方法”，教育部博士點(diǎn)基金“基于點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)工程的超分辨熒光顯微方法的研究”，國(guó)家原“973”基礎(chǔ)研究子課題、國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目子課題、科技部重大儀器專項(xiàng)課題等多個(gè)項(xiàng)目，以第一發(fā)明人授權(quán)發(fā)明專利50多項(xiàng)，以第一作者或通訊作者發(fā)表論文120多篇，并獲得浙江省“新世紀(jì)151人才工程”第二層次培養(yǎng)人員、中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)首屆中國(guó)光學(xué)科技獎(jiǎng)應(yīng)用成果類一等獎(jiǎng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)等多項(xiàng)榮譽(yù)。

面對(duì)這些豐碩的成果，匡翠方在欣喜之余也表達(dá)了深深的擔(dān)憂：“我們的光學(xué)超分辨顯微成像研究技術(shù)與國(guó)外的差距在逐漸縮小，但在實(shí)際產(chǎn)業(yè)化方面仍然比較落后。雖然我國(guó)每年顯微鏡產(chǎn)量超過(guò)300萬(wàn)，其中超過(guò)一半用于出口，在全球顯微鏡市場(chǎng)中占有一席之地，但這些產(chǎn)品主要集中在中低端，在利潤(rùn)方面遠(yuǎn)不及高端顯微鏡產(chǎn)品。由于受行業(yè)技術(shù)水平限制，國(guó)內(nèi)具備生產(chǎn)高端顯微鏡的企業(yè)屈指可數(shù)，因此我國(guó)高端顯微鏡差不多90%都依賴于進(jìn)口?！?/p>

事實(shí)上，高端光學(xué)顯微鏡的市場(chǎng)前景非常廣闊。Grand View Research發(fā)布全球顯微鏡市場(chǎng)研究報(bào)告顯示，到2020年全球顯微鏡市場(chǎng)容量預(yù)計(jì)將達(dá)到95.4億美元。隨著科技發(fā)展和人們生活水平的提高，高端光學(xué)顯微鏡會(huì)更廣泛地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)療檢測(cè)等方面。而世界高端顯微鏡的產(chǎn)業(yè)主要布局在德國(guó)和日本。德國(guó)以蔡司（Zeiss）和徠卡（Leica）公司為代表，日本以尼康（Nikon）和奧林巴斯（Olympus）公司為代表，業(yè)內(nèi)稱之為“四大家”。這四家都是所在國(guó)家的支柱企業(yè)，也是百年老店，它們占據(jù)著世界顯微鏡市場(chǎng)50%以上的市場(chǎng)份額，其發(fā)展戰(zhàn)略左右著顯微鏡市場(chǎng)的走向。

“目前中國(guó)所有三甲醫(yī)院所使用的高端光學(xué)顯微鏡幾乎都來(lái)自四大家，近年來(lái)共聚焦掃描和超分辨顯微鏡在中國(guó)市場(chǎng)的增長(zhǎng)更是超過(guò)20%，對(duì)中國(guó)企業(yè)而言，如果能夠制造出高性能、高可靠性的高端光學(xué)顯微鏡，無(wú)疑會(huì)迎來(lái)極大的市場(chǎng)機(jī)遇，并完成升級(jí)，進(jìn)入世界精密儀器制造第一方陣，推動(dòng)我國(guó)精密光學(xué)元器件制造、光學(xué)材料、精密加工等行業(yè)的發(fā)展?！笨锎浞奖硎?，在國(guó)內(nèi)，有能力且開(kāi)始生產(chǎn)高端顯微鏡的廠家主要是永新光學(xué)、舜宇股份、麥克奧迪等企業(yè)。近年來(lái)，這些企業(yè)都在加大研發(fā)力度，加速追趕步伐。

為了更好地實(shí)現(xiàn)高端光學(xué)顯微鏡的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，匡翠方與永新光學(xué)合作開(kāi)展了單分子熒光探測(cè)、熒光漂白及光切片成像技術(shù)方面的研究?？锎浞揭詥畏肿訜晒馓綔y(cè)為例，向記者解釋道：“傳統(tǒng)的分子和細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)已經(jīng)比較深入地闡明了生物分子的構(gòu)成及其所扮演的角色，但是單個(gè)分子的活動(dòng)卻被平均化而觀察不到。全內(nèi)反射熒光顯微技術(shù)利用全內(nèi)反射產(chǎn)生的倏逝波對(duì)樣品表面薄層進(jìn)行觀察，而不受細(xì)胞深層區(qū)域信號(hào)的干擾，具有其他熒光成像技術(shù)無(wú)法比擬的高信噪比。對(duì)生物樣本損傷小，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)熒光分子的直接探測(cè)。尤其對(duì)需要研究細(xì)胞表面科學(xué)如生物化學(xué)動(dòng)力學(xué)、單分子動(dòng)力學(xué)等方向的研究十分有效?！?/p>

基于該課題，項(xiàng)目所開(kāi)發(fā)的高性能熒光顯微成像技術(shù)采用了結(jié)合多角度環(huán)全內(nèi)反射熒光顯微技術(shù)（Ring-TIRF）、光切片熒光顯微系統(tǒng)（Light-sheet）技術(shù)以及定點(diǎn)照明技術(shù)（FRAP）為一體的高分辨顯微成像儀。利用全反射顯微技術(shù)，通過(guò)倏逝波照明，根據(jù)倏逝波光強(qiáng)在全反射面處呈指數(shù)形式衰減的特性，熒光樣品只會(huì)在全反射面附近被激發(fā)，實(shí)現(xiàn)了樣品貼壁層縱向200nm分辨率的照明成像；利用光切片成像橫向照明技術(shù)，照明光被聚焦成一個(gè)薄層照亮樣品，進(jìn)一步提高顯微系統(tǒng)的軸向分辨率，同時(shí)利用其層掃描技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)Z軸掃描，實(shí)現(xiàn)層析成像；利用FRAP定點(diǎn)照明技術(shù)，利用掃描振鏡與反饋矯正技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位，通過(guò)軟件控制進(jìn)行位置選取與照明。

由此項(xiàng)目開(kāi)發(fā)出的高分辨熒光顯微成像儀將光機(jī)電算一體化，可以實(shí)現(xiàn)光切片成像、動(dòng)態(tài)成像、熒光標(biāo)記與共定位、三維空間還原、定量或半定量分析、單分子熒光探測(cè)、熒光漂白后恢復(fù)（FRAP）等技術(shù)，為生命科學(xué)領(lǐng)域研究提供幫助；而由此產(chǎn)生的共性化技術(shù)將帶動(dòng)環(huán)境、資源、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、衛(wèi)生、健康、食品、農(nóng)產(chǎn)品、水產(chǎn)品等一大批應(yīng)用領(lǐng)域的專用儀器的開(kāi)發(fā)，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)激光器、光譜儀、探測(cè)器等器件與技術(shù)的進(jìn)步。

逐一擊破光學(xué)超分辨技術(shù)難點(diǎn)

“工欲善其事，必先利其器”。在國(guó)家加快培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、壯大經(jīng)濟(jì)發(fā)展新動(dòng)能的當(dāng)下，光學(xué)顯微鏡對(duì)于新材料、生物等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有影響創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)性地位。然而對(duì)于大部分光學(xué)顯微鏡用戶而言，現(xiàn)有的光學(xué)超分辨技術(shù)缺乏全面反映樣品生命活動(dòng)的能力，在解決目前生命科學(xué)領(lǐng)域重大問(wèn)題方面所做出的貢獻(xiàn)依然甚微。作為研究或檢測(cè)平臺(tái)的超高分辨率顯微系統(tǒng)的研制和發(fā)展，將極大促進(jìn)生物、醫(yī)學(xué)、材料等領(lǐng)域的原始創(chuàng)新，利于我國(guó)相關(guān)學(xué)科占領(lǐng)相應(yīng)科學(xué)研究的制高點(diǎn)。

“在生物學(xué)研究中，科學(xué)家們常常利用能發(fā)射熒光的熒光分子作為生物標(biāo)記。將這種熒光分子通過(guò)化學(xué)方法掛在其他不可見(jiàn)的分子上，原來(lái)不可見(jiàn)的部分就變得可見(jiàn)了。生物學(xué)家一直利用這種標(biāo)記方法，把原本透明的細(xì)胞或細(xì)胞器從黑暗的顯微鏡視場(chǎng)中‘揪出來(lái)。例如綠色熒光蛋白在藍(lán)色波長(zhǎng)范圍的光線激發(fā)下，會(huì)發(fā)出綠色熒光，可以標(biāo)識(shí)生物體內(nèi)蛋白質(zhì)的位置。在進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)研究時(shí)，除了觀測(cè)細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)的空間特性外，時(shí)間特性也是記錄和分析細(xì)胞生命活動(dòng)、蛋白質(zhì)功能分析和藥物療效評(píng)估等的重要手段。對(duì)于具有熒光標(biāo)識(shí)的樣品而言，反映樣品時(shí)間特性的參量是熒光壽命?！笨锎浞秸f(shuō)，熒光壽命可以反映細(xì)胞生命活動(dòng)的環(huán)境參量，例如環(huán)境PH值、離子濃度、含氧量等，同時(shí)也是區(qū)分熒光蛋白分子、反映熒光蛋白分子動(dòng)力學(xué)特征的重要參數(shù)，在細(xì)胞生物學(xué)等領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用。

為此，匡翠方帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了“基于非線性焦斑調(diào)制及k空間虛擬波矢解調(diào)的超分辨顯微成像系統(tǒng)”項(xiàng)目的研究，該項(xiàng)目旨在前期研究的基礎(chǔ)上，成熟運(yùn)用空間相位調(diào)制技術(shù)、非線性飽和焦斑激發(fā)技術(shù)和并行時(shí)空探測(cè)技術(shù)，研究基于非線性焦斑調(diào)制及k空間虛擬波矢解調(diào)的三維超高分辨顯微成像技術(shù)和系統(tǒng)，使系統(tǒng)對(duì)熒光樣品沒(méi)有特殊要求，分辨率約提高至λ/12，且熒光壽命成像速度至少上升一個(gè)數(shù)量級(jí)，并最終研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、對(duì)樣品高度普適、高速調(diào)制與探測(cè)時(shí)空信息的多色超分辨顯微儀器?？锎浞胶退膱F(tuán)隊(duì)成員希望通過(guò)該項(xiàng)目的研究，實(shí)現(xiàn)課題組自己研制的儀器在生物醫(yī)學(xué)研究中得到驗(yàn)證與廣泛應(yīng)用。這不僅可以進(jìn)一步促進(jìn)光學(xué)超分辨顯微技術(shù)的發(fā)展和完善，而且可以提升我國(guó)在該領(lǐng)域儀器及技術(shù)的話語(yǔ)權(quán)。目前項(xiàng)目正在井然有序的開(kāi)展當(dāng)中，圍繞研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高端顯微成像儀器這一共同目標(biāo)，課題組成員在不辭辛苦地日夜奮戰(zhàn)。

匡翠方還積極參與到劉旭教授的課題項(xiàng)目“并行納米光場(chǎng)調(diào)控?zé)晒廨椛湮⒎秩S超分辨成像系統(tǒng)”的研究中。該項(xiàng)目以囊泡運(yùn)輸過(guò)程的監(jiān)控研究為側(cè)重點(diǎn)，從而開(kāi)發(fā)出一種具有長(zhǎng)時(shí)程、實(shí)時(shí)、三維納米尺度分辨本領(lǐng)的活體細(xì)胞顯微成像方法與儀器。

“千磨萬(wàn)擊還堅(jiān)勁，任爾東西南北風(fēng)。”不斷進(jìn)行光學(xué)超分辨技術(shù)的科研探索，研發(fā)出國(guó)產(chǎn)高端光學(xué)顯微儀器，一直是匡翠方作為科研工作者的初衷。縱然這條道路注定荊棘密布，他也定將永不止步?！拔矣幸粋€(gè)心愿，那就是讓我們的高端光學(xué)顯微鏡走向世界。”匡翠方說(shuō)。

專家簡(jiǎn)介

匡翠方，浙江大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)為美國(guó)光學(xué)協(xié)會(huì)（OSA）會(huì)員，Optics Express、Optics Letters等雜志的審稿人。主持或參與基金委重大儀器專項(xiàng)基金、科技部原“973”項(xiàng)目、科技部重大儀器研發(fā)項(xiàng)目；浙江省杰出青年基金，浙江151人才基金、自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目、面上、青年等國(guó)內(nèi)外研究項(xiàng)目10多項(xiàng)，2020年主持浙江省之江實(shí)驗(yàn)室重大裝置項(xiàng)目。以第一/通訊作者發(fā)表SCI文章論文120多篇，影響因子大于3的有30多篇，包括Nature communications、Physical Reviews Letter、Optica、Optics Letters、Optics Express、Applied Optics等，圍繞顯微超分辨顯微成像應(yīng)邀為L(zhǎng)ight： Science & Applications、ACS nano，Laser & Photonics Reviews撰寫(xiě)可見(jiàn)光超分辨成像綜述3篇。參加OSA、SPIE等國(guó)際/國(guó)內(nèi)會(huì)議邀請(qǐng)報(bào)告約20次，以第一發(fā)明人申請(qǐng)發(fā)明專利90多項(xiàng)，已授權(quán)50多項(xiàng)。獲得2019年國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)；2019年度王大珩光學(xué)獎(jiǎng)-中青年科技人員光學(xué)獎(jiǎng)，2018年首屆中國(guó)光學(xué)科技獎(jiǎng)評(píng)選應(yīng)用成果類一等獎(jiǎng)；2018年寧波市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)。近年工作圍繞著超分辨顯微信息的調(diào)控（照明調(diào)控）、超分辨信息的獲取（新型顯微系統(tǒng)）和超分辨信息的解調(diào)（圖像重構(gòu)）3個(gè)方面展開(kāi)。