科學網—為實現高端光學顯微鏡國產化不懈奮鬥

2020-11-24 科學網
為實現高端光學顯微鏡國產化不懈奮鬥
——記中科院蘇州生物醫學工程技術研究所研究員張運海

 

張運海在自研的雙光子—STED複合顯微鏡前工作。

■黃維

張運海

中科院蘇州生物醫學工程技術研究所醫用光學技術研究室副主任、研究員、博士生導師，從事顯微光學超分辨成像領域研究。近5年主持國家重點研發計劃「雙光子—受激發射損耗（STED）複合顯微鏡」等國家省市項目、課題7項，其中經費超過1000萬元的有2項。

以國家迫切需求為指引、理論聯繫實際做研究是中科院蘇州生物醫學工程技術研究所（以下簡稱蘇州醫工所）研究員張運海的初心。

面對國內生物醫學領域高端設備基本依賴進口的現狀, 強烈的使命感鞭策著張運海。為了醫院能夠早日用上國產設備，他加入了主要從事醫療設備研究和開發、生物醫學工程研究領域的國家隊——蘇州醫工所，踏上了實現自己初心的道路。

勇挑顯微光學重擔

進入蘇州醫工所的張運海主要從事顯微光學尤其是共聚焦成像的研究和相關顯微鏡的研發工作。

當時，顯微光學研發團隊尚未建立，張運海帶領著三位非光學專業的應屆碩士生，從零開始建設實驗室。

張運海帶領幾個「門外漢」對顯微光學領域進行了系統性調研，發現國內的顯微鏡公司只能生產中低端顯微鏡，高端光學顯微鏡如雷射掃描共聚焦顯微鏡、雙光子顯微鏡、受激發射損耗（STED）超分辨顯微鏡等全部被國外傳統光學巨頭公司壟斷。國內的顯微光學研究比較薄弱，只有少數幾家單位從事成像方法和技術研究。

為儘快積累共聚焦成像方面的技術，張運海根據之前開展光學工作的經驗，迅速制定了一個光學實驗室建設方案，列出了一批需要採購的實驗儀器和元器件清單，組織人員進行採購，並多方走訪，引進各種人才充實科研隊伍。

建設實驗室的巨大壓力壓在張運海肩頭，他常以「艱難困苦，玉汝於成」來激勵自己，成功度過了艱難時期，在半年的時間內建立起一個能夠開展各種光學成像實驗的實驗室。

矢志不渝攻克難題

張運海從事的是顯微光學重要分支——雷射點掃描成像的研發工作。在團隊和實驗室初步建設的基礎上，他很快制定了研究規劃，先從雷射共聚焦成像（具有分層成像能力）做起，在此基礎上開展雙光子成像（具有較高的成像深度）、STED超分辨成像（具有較高的成像解析度）、雙光子—STED複合成像研究，並開展相應的顯微鏡樣機研製。

在研究規劃實施過程中，張運海帶領團隊解決了大量成像技術難題。雷射點掃描成像意味著必須生成符合要求的「雷射點」。這裡的雷射點是特指雷射經物鏡聚焦後在焦點區域的三維光強分布，不同的成像方式需要的雷射光斑三維分布形狀不同。其中，STED顯微成像和雙光子—STED成像中有兩束或三束光需要聚焦光斑在三維空間精確重合，精度達10納米，這相當於在浩瀚的宇宙中，在不可見的情況下，將三艘飛船在三維空間精準對接。這對光學裝調精度和判斷光斑重合準確度提出了巨大挑戰。

張運海帶領團隊成員紮根暗室，常常因調試光路高度集中而忘記時間，等調試完畢拉開窗簾時才發現已經天黑。

九年來，團隊成員一直堅守初衷，苦幹攻關，最終採用金納米粒子對聚焦光斑進行三維掃描成像、壓電陶瓷驅動調節反射鏡技術等，成功解決了聚焦光斑三維光強分布測量和三維高精度合束技術難題。

躬行實踐促進轉化

在顯微鏡研製過程中,需要提高儀器的穩定性和可靠性等，這樣研製的顯微鏡才能從實驗室走向用戶能使用的產品。張運海帶領團隊逐一解決工程技術細節問題。在解決顯微鏡工程技術問題基礎上，他帶領團隊在國內率先推出具有四路雷射激發和三通道光譜分光探測型雷射掃描共聚焦顯微鏡。樣機在相關單位進行了試用，取得了滿意的效果。

在不懈努力下，張運海及其團隊完成了雷射掃描共聚焦顯微鏡、STED超分辨顯微鏡、皮膚反射式共聚焦顯微鏡等高端光學儀器的自主開發，從技術上打破國外壟斷，實現成果轉化，轉化總金額近2000萬元，取得了較好的經濟社會效益。

在張運海的帶領下，團隊成員將繼續開拓創新，進一步推動共聚焦顯微鏡、STED顯微鏡和雙光子—STED複合顯微鏡核心部件及系統工程化、產業化，為推動中國顯微光學發展而努力奮鬥。

（作者單位：中科院蘇州生物醫學工程技術研究所）

《中國科學報》 (2020-11-19 第3版 信息技術)

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