“慧眼”探知微观世界,“使命”打破国际垄断——中科院苏州医工所超分辨显微镜研究团队先进事迹

作者: 时间:2021-10-11

  高端光学显微镜是人类探知微观世界的“慧眼”,被广泛应用于生物、医学等领域,是观测活体亚细胞结构、揭示重要生命现象、研究重大疾病发生机制的神器。 

  由于其研制涉及的大数值孔径物镜、特种光源、系统集成与检测等核心技术攻关难度巨大,导致我国高端光学显微镜长期被国外公司产品垄断。 

  作为国立科研机构-中科院苏州医工所所长,唐玉国怀着“创新生物医学工程”的初心和使命,瞄准时机、大胆部署,将生物医学超/高分辨显微光学技术作为研究所重大突破方向,下定决心要“啃下这块硬骨头”,打破国外垄断,打造中国自己的显微光学基地。 

  2014年,超分辨显微光学核心部件及系统研制项目获得国家重大科研装备研制项目支持。经过五年的不懈努力,超分辨团队成功研发了具有自主知识产权的共聚焦显微镜、双光子显微镜、STED超分辨显微镜、双光子-STED显微镜等高端光学显微镜。其中,STED超分辨显微镜突破了光波衍射对成像分辨率的限制,实现了50纳米的成像分辨率,能够无损观察活体细胞内部结构;双光子显微镜的成像深度达到600微米,可观察深层生物样本。 

  五年来,超分辨团队所在支部多次组织“拼搏奉献、党员率先”“佩戴党徽上岗、争做科研先锋”等活动,激发团队成员迎难而上、勇攀高峰,以满腔的热情投入到项目研究中,取得了重大突破。该项目成功入选中科院2018年年度科技创新亮点成果。 

  大数值孔径显微物镜是超分辨显微镜的核心器件,需要在大拇指大小的镜筒内,沿着同一光轴集成20个左右光学镜片,且镜片中心间隔差和偏心差达微米级精度,仅相当于头发丝直径的十分之一,加工装调难度极大。老党员巩岩研究员作为应用光学前沿的“老兵”,带领团队成员夜以继日工作在实验室,经过反复摸索和实验,突破了元件精密定位和补偿调节技术,制定了一整套高端显微物镜数字化装配工艺,设计了三个系列多款拥有自主知识产权的高端生物显微物镜,改变了中国高端光学显微镜“无芯之痛”的情况。  

  双光子-STED显微镜需要将双光子激发光、共聚焦激发光和损耗光这三种聚焦光斑在三维空间精确重合,精度达10nm。这相当于在浩瀚的宇宙中,不可见的情况下,三艘飞船在三维空间精准对接。这对光学装调精度和判断光斑重合准确度提出巨大的挑战。显微镜系统研制负责人张运海研究员,带领团队成员扎根暗室,常常因调试光路高度集中而忘记时间,等调试完毕拉开窗帘时才发现已经天黑。这五年,团队成员一直坚守初心、埋头苦干,最终创新采用金纳米粒子对聚焦光斑进行三维扫描成像,成功解决了光斑三维高精度合束技术难题,在国内外率先推出双光子-STED显微镜样机。 

  目前,超分辨显微光学系统,在中科院兄弟院所及上市公司奥普光电等企业得到广泛应用,部分成果已远销德国、美国、日本、以色列等发达国家。通过超分辨团队的努力,苏州医工所已经建成了加工、装调、检测以及整机集成的显微光学技术体系,对我国生物学和基础医学前沿研究和高端装备的国产化有重大意义。 

  未来,在团队负责人唐玉国的带领下,超分辨团队将继续开拓创新,进一步推动核心部件及系统工程化、产业化,努力把苏州医工所打造为中国显微光学的基地。 

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