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超分辨显微光学核心部件及系统研制通过验收

“现在做生物的,都盯着《科学》、《自然》,仪器只要求用最好的,眼里没有国产进口之分;做医生的,更是绝对不希望因为仪器而延误病人的诊治。可大家传统观念里都觉得,国产仪器不好用。国产要真正替代进口,面临着很大压力,这怎么破?”

浙江大学教授王平抛出的这个问题,中国科学院苏州生物医学工程技术研究所想要给出答案。12月26日,苏州医工所承担的国家重大科研装备研制项目“超分辨显微光学核心部件及系统研制”通过验收,标志着我国具备了高端超分辨光学显微镜的研制能力。

白天不懂夜的黑

在当今生物学和基础医学研究中,高/超分辨光学显微镜的作用是至关重要的,尤其是10~100nm尺度的超分辨显微光学成像,更是取得原创性研究成果的重要手段。

例如,在微生物学研究中,科学家通过对微生物活体动态进行超微观测,能够揭示许多重要的生命现象;在神经生物学领域,科学家需要动态观察神经突触的形成和变化,以揭示高级神经活动及神经病变的亚细胞结构功能;而在医学领域,研究人员更需要依赖超分辨光学显微镜,去观察病毒入侵细胞的机制等,更好地研究一些重大疾病的发生机理。

然而,光学专家和生物学家之间,却似乎一直有一条看不见的鸿沟。

这种割裂,中科院苏州医工所所长唐玉国有着切身体会。在来苏州之前,他在中科院长春光学精密机械与物理研究所工作了多年,他坦言“以前我们做光学的就是埋头做自己的,并不懂生物学家对高端显微镜有多么渴求。”

中科院苏州医工所是中科院唯一一家以生物医学仪器、试剂和生物材料为主要研发方向的研究所,在与大量生物领域专家接触后,唐玉国意识到,我国对光学显微镜、特别是高端光学显微镜的需求极其旺盛。

但现状是,我国虽然是显微镜消费大国,但自己只能生产中低端产品,高端仪器基本依赖于进口,这已经严重制约了我国生物学和基础医学等相关前沿领域的创新研究。

鱼与熊掌如何兼得?

历时五年攻关,中科院苏州医工所科研人员全面突破大数值孔径物镜、特种光源、新型纳米荧光增强试剂、系统集成与检测等关键技术,已经申请90余项国家发明专利,其中获得授权30余项,并研制出了激光扫描共聚焦显微镜、双光子显微镜、受激发射损耗(STED)超分辨显微镜、双光子-STED显微镜等高端光学显微镜整机。

以双光子-STED显微镜为例,它将双光子显微技术和STED显微技术有机融合在一起,不仅能对较厚的样品进行深层成像,还能对感兴趣的区域进行超高分辨成像。

“双光子和STED两种显微镜市场上都已经有仪器销售了,但它们都有着自己的优缺点,双光子显微镜能看到样本中深层结构,但看不了尺度100纳米以内的细节结构;而STED显微镜成像分辨率能达到50nm,但成像深度很浅。”中科院苏州医工所研究员张运海说。

张运海告诉《中国科学报》记者,在一些脑科学研究中,经常需要看一些比较厚的脑切片结构,如果用两台显微镜分别观察深层结构和100纳米以内的细节结构,需把样品从一台显微镜挪动到另一台显微镜,就找不到原来观察的位置了。“通过这台双光子-STED显微镜,科学家就可以方便地观察深层结构和表层感兴趣区域的精细结构。”

此外,研究所还通过该项目,建成了高端显微光学加工、装调、检测以及显微镜整机技术集成工程化平台,有望为用户需求提供定制化的显微镜设备,为我国高端光学显微镜的发展提供了系统解决方案。

从进口到出口

中科院院士柴之芳对这几台高端显微镜的诞生感到很欣慰,他希望这些仪器能够尽快实现产业化,不仅助力科学研究,最终还能在临床上得到应该用,在一定程度上替代国外的产品。

实际上,项目所研制的超分辨显微镜或核心部件已在国内外多家研究机构使用,并已取得了部分成果。

比如,中科院动物研究所利用高端光学显微镜观察发育生物学中的基本现象,研究潜在调控机制。中科院上海药物研究所应用高端光学显微镜观察药物胞内靶向定位和输送,加速创新性新药研发。美国斯坦福大学、日本东京大学、我国陆军军医大学等专业实验室利用双光子显微成像技术进行了信息识别、行为控制等脑科学核心问题的研究以及动物在体成像实验,获得了高分辨实时神经元活动成像数据。

此外,显微镜和关键部件已有部分成果实现了出口销售。如双光子显微镜已销往德国、以色列、美国等多家国外研究机构。

验收专家组认为,项目组完成的四类高端光学显微镜,以及大数值孔径显微物镜、特种光源等核心部件,所有技术指标均达到实施方案规定的考核指标要求,四类超分辨显微成像系统均已达到实用化水平完成了总体目标,同意通过验收。

但唐玉国直言,高端显微镜的国产化道路并不是一蹴而就的。他透露,研究所下一步还将结合工程化及成果转化创新模式,实现科技成果在研发平台、工程化平台、产业化平台、市场平台的高效对接,通过系列化、组合化的产品布局,对显微镜系统和核心部件进行工程化、产业化。“接下来我们要把显微镜的性能再提高几个百分点,一点点地把失去的阵地拿回来。”

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