這是一個關于突破光學衍射極限，打造觀測微觀世界慧眼的故事。

這組數(shù)據(jù)是世界衛(wèi)生組織公布的2018年世界癌癥患者的數(shù)量，有1810萬癌癥患者，其中960萬人死于癌癥。我國是人口大國，每年都有很多新增癌癥患者。在我國，平均每分鐘就有7人被確診為癌癥患者，每5分鐘就有5人死于癌癥。

實際上，在我們平時說話的同時，可能已經(jīng)有5個家庭永遠失去了他們的親人。這個數(shù)字非常驚人，也非常令人痛心。為什么會有這樣的情況？問題到底出在哪兒？癌癥的機理是什么？我們怎么去準確地診療癌癥？怎么用藥物才能有效地治療癌癥呢？

這是一張宮頸癌海拉細胞的圖片。海拉細胞實際上是研究細胞的一個“小白鼠”。這個細胞的尺度約為10微米。我們研究癌癥，不僅僅要看這個細胞的輪廓，還要看到它里面的這些紅絲，這些小綠點，這些代表的是細胞中蛋白質(zhì)等微細的結(jié)構(gòu)。

 宮頸癌海拉細胞

這些結(jié)構(gòu)的尺度一般在10納米左右，用常規(guī)的顯微鏡肯定無法看到。還有一件讓全世界都很惱火的事，就是全球人口正在逐漸老齡化。隨著人口老齡化的發(fā)生，老年疾病（學術名詞叫神經(jīng)退行性疾病）的患病人數(shù)也在大量增加。

這是一個阿爾茨海默?。ㄋ追Q老年癡呆癥）患者的大腦圖，這個大腦和正常人的大腦相比，已經(jīng)嚴重萎縮了?，F(xiàn)在全世界都不知道阿爾茨海默病是如何發(fā)生的，衰老為何導致阿爾茨海默病患者發(fā)生如此大的變化。

要研究這個機理，我們要看清神經(jīng)元細胞，要了解它是怎樣的結(jié)構(gòu)，尤其更微細的結(jié)構(gòu)，以及神經(jīng)元細胞如何傳導信號這樣的一個過程。傳統(tǒng)顯微鏡顯然無法幫我們實現(xiàn)這些，所以我們就需要發(fā)明一種更高分辨率的顯微鏡，這就是“超高分辨熒光顯微鏡”。

極限距離公式的誕生

有了這個超高分辨的熒光顯微鏡，我們就可以看清我們從來沒有見到的微觀世界。

我們每個人都去過醫(yī)院，都做過CT、核磁共振這樣的檢查。這類檢查的尺度只在器官或者組織水平。它的大小通常為幾微米或者幾毫米，像我們的血管、肺或者骨骼。

因為我們的生物學家要看清病毒，要看清蛋白質(zhì)這樣尺度的微細結(jié)構(gòu)。辦法是有的，那就是用電子顯微鏡。電子顯微鏡和原子顯微鏡可以實現(xiàn)以上要求。

但電子顯微鏡和原子顯微鏡都有一個最大的缺點——不能進行活體細胞的觀測。傳統(tǒng)的光學顯微鏡顯微鏡可以克服這個缺點。

我們很小的時候就知道光學顯微鏡，然而實際上，用傳統(tǒng)光學顯微鏡，我們只能看到200納米，也就是能分辨0.2微米這樣尺度的物體。

光學顯微系統(tǒng)的成像原理：一個理想的物點經(jīng)過光學顯微系統(tǒng)之后，它會形成一個彌散的斑。就好像這只小貓，如果把它比喻成一個理想的物點，那么經(jīng)過顯微系統(tǒng)后，它就變得模糊了。

一個點是模糊的，兩個點經(jīng)過顯微系統(tǒng)之后依然是模糊的。像這幅圖，如果兩個點離得足夠遠，我們?nèi)搜勰馨阉鼈兎智濉?/span>

如果兩個點離得足夠近，我們依然能把它們分清。那么這個時候，我們就認為它達到了一個極限的水平，就像這幅圖。如果兩個點離得特別近，近到我們很難把它們分清楚，那么這時的極限距離是多少？

1873年，德國一位叫恩思特·阿貝的偉大科學家通過嚴格的理論推導，給出了這個極限距離，用公式表達就是d=λ/2nSinα。

人們?yōu)榱思o念這位偉大的科學家，把這個公式刻到了他的墓碑上。

通過這個公式可以看出，如果我們在可見光波段，就是λ等于400納米的時候，n和Sinα都等于1的時候，這個光學顯微鏡的極限分辨率實際上只有λ/2，也就是只有200納米。

熒光顯微技術

這個公式的發(fā)明確實解開了困擾科學家們多年的一個難題。“光學顯微系統(tǒng)能達到多少分辨率”這一難題就像魔咒一樣束縛了科學家的思維。人們一直想找到辦法破解這個魔咒，使顯微系統(tǒng)能夠看清更細微的物體。   

后來有三位科學家非常幸運的破解了這一魔咒。他們就是發(fā)明了熒光顯微技術的三位科學家。

為了紀念這三位科學家在超分辨顯微系統(tǒng)方面所做出的貢獻，2014年諾貝爾化學獎就頒給了他們，他們中有兩位是美國人，一位是德國人。

為什么頒的是化學獎，而不是物理學獎？難道是因為光學顯微鏡屬于物理學問題嗎？

人們都有這樣一種感覺，就是我們在一個黑暗的樹林里可以看到一群螢火蟲在飛舞，但如果想看一只螢火蟲飛舞就很難了。

但是美國化學家莫納做到了。在生物界，他做到讓人們只看見一個熒光分子在閃亮。這是他很重要的一個貢獻，因為他發(fā)明了熒光分子的開關技術。

當一束高能的光照射到熒光分子的時候，熒光分子就亮了；再用別的照射它，又可以讓它熄滅，就像自己家的燈的開關一樣。

     熒光蛋白開關的方法

這項化學技術實際上是實現(xiàn)光學超分辨的核心之一，所以給他頒的是諾貝爾化學獎。

受到莫納的啟發(fā)，美國的另一位科學家——白茲格，把單分子開關的技術應用到了顯微系統(tǒng)上，發(fā)明了光激活定位顯微技術，簡稱PALM技術。

比如左邊這幅圖，每次每個圖都在閃爍，每次只看一個點，同時把它的位置記錄下來。通過很多幅這樣圖像的疊加之后，我就可以看到最右邊具備超分辨水平的圖了。

PLAM工作原理

這就好比看銀河系的時候看不清，但如果每次只讓一顆星閃亮，等所有星星都分別成像以后，再把它們疊加起來，就可以看清整個銀河系了。

實際上白茲格是一個中國女婿。他是一個富二代，但他不想接手家族的企業(yè)，而是想追尋自己熱愛的顯微系統(tǒng)的研究。

這張照片就是他在自己家客廳組裝的PALM顯微鏡。他的生活正應了現(xiàn)在一句很流行的話：如果你不好好做科研，那么只好回家繼承百萬家產(chǎn)。

Eric Betzig在家搭建的超分辨顯微鏡

獲得這次諾貝爾化學獎的還有德國科學家黑爾。他發(fā)明的技術實際上是受激發(fā)射損耗顯微技術，簡稱STED。他和白茲格完全是兩類人。他是一個屌絲，為了喜愛的顯微鏡事業(yè)，他需要經(jīng)常到外面找科研經(jīng)費。

他也發(fā)明了一種獨特的辦法，就是用一束光去照明所有熒光分子的時候，這些熒光分子都會被點亮。這時候，用另一束像“甜甜面包圈”一樣的光，去熄滅這些熒光分子周圍的光，那么就會只剩下中間一點納米量級的分子的光，如此，我們就實現(xiàn)了超分辨。

受這兩位大師的啟發(fā)，現(xiàn)在的科學家也發(fā)明了很多其他的顯微系統(tǒng)。像干涉定位顯微系統(tǒng)，像結(jié)構(gòu)光照明顯微系統(tǒng)。這些系統(tǒng)都為科學界，為生物細胞研究，做出了巨大的貢獻。

獲得諾貝爾獎的科學家都非常聰明，而比他們更聰明的是一些商人。他們的技術獲獎了之后，世界四大顯微鏡生產(chǎn)企業(yè)——德國的蔡司、萊卡，日本的尼康、奧林巴斯，就把他們的技術買斷，然后將其變成了商品化的儀器。

現(xiàn)在全世界顯微鏡市場基本被這四家公司壟斷了。這四家公司都是百年公司，他們具有悠久的歷史。而我們中國的顯微鏡現(xiàn)狀又是怎么樣的呢？

中國的顯微鏡歷史并不短，有70年。中國第一家顯微鏡工廠是1943年在重慶成立的，后來搬到了江蘇南京，叫江南光儀廠。

這張圖是江南光儀廠當時建廠時的照片。

 

我國第一臺顯微鏡誕生于1953年，我們利用東德蔡司（“二戰(zhàn)”時，蔡司公司分成了西德和東德兩家）的圖紙造出來了我國第一臺顯微鏡。但是，現(xiàn)在我國只能生產(chǎn)中、低端的顯微系統(tǒng)，高端顯微系統(tǒng)及其核心部件完全依靠進口。

中國高端顯微系統(tǒng)雖然發(fā)展歷史不長，但我們絕不缺乏有世界眼光的科學家。2012年，中國科學院蘇州醫(yī)工所的所長唐玉國就率領團隊開展了超分辨核心部件和系統(tǒng)的研究工作。

我是2014年有幸加入到這個團隊的，我在這個團隊里主要負責顯微物鏡的研發(fā)。顯微物鏡是顯微系統(tǒng)的一個核心部件，也可以說是最重要的部件。為什么呢？因為顯微物鏡的數(shù)值孔徑，就是剛才阿貝公式下面那個nSinα，決定了整個顯微系統(tǒng)的物理分辨率。

這是我們研發(fā)的一個具有世界水平的物鏡。它的視場可以達到6毫米，分辨率可以到0.5微米，可用于我們腦神經(jīng)細胞、神經(jīng)區(qū)域的拍攝。因為海馬區(qū)很大，我們要看清楚的話，必須用這種大視場的物鏡系統(tǒng)去研究。

這個物鏡可以用于基因測序。

這張圖實際上是我國第一支NA1.45高數(shù)值孔徑顯微鏡。它就是我們超分辨系統(tǒng)用的最多的一個物鏡。這個物鏡雖然只有40毫米長，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復雜。

這張圖就是它的一個剖視圖。在40毫米長的范圍內(nèi)，有大約十幾片到二十幾片的小光學元件，其中有的小光學元件只有米粒般大小。

這個系統(tǒng)研制起來也非常艱難。除了光學材料、加工、鍍膜，最難的地方就是把所有的光學件和機械件集成起來。

因為我國目前還缺乏物鏡集成這方面的人才，我們的團隊更缺乏有經(jīng)驗的科研人員。后來，我們在全國所有的光學公司尋找這樣的人，終于在南京找到了一位老工人師傅，他有18年的物鏡裝配經(jīng)驗。我們把他請到實驗室，經(jīng)過一年的反復摸索，終于裝出了中國第一支NA1.45的顯微物鏡。

但是高興沒有多久，我們又犯了難。因為老師傅裝配物鏡只能靠他的經(jīng)驗，靠他的手感，我們不能復制，也不能保證所有物鏡的質(zhì)量和效率都很好。為此，我們科研人員不得不一頭扎進了實驗室，研發(fā)物鏡裝配的一體化系統(tǒng)。

現(xiàn)在我們已經(jīng)在這方面完全取得了突破，我們有自己標準化的、數(shù)字化的裝配流程和工藝。在物鏡研發(fā)過程當中，團隊成員經(jīng)常加班，經(jīng)常點外賣。

有時候外賣點的太多，外賣小哥送不過來，飯店老板就直接送過來了。所以我們研發(fā)物鏡不僅把中國的科研事業(yè)提到了一定的程度，打破了國外的壟斷，還帶動了餐飲行業(yè)的發(fā)展。

令我印象最深刻的是研發(fā)這種雙光子-STED顯微系統(tǒng)，這是我國首創(chuàng)的顯微系統(tǒng)。

它的研發(fā)難點主要在三激光合束。也就是要求三束激光的偏移誤差不能超過10納米。

這相當于三艘宇宙飛船在浩渺的空間進行準確對接。為了攻克這個難關，科研人員一頭扎進了暗室，不分白天黑夜地去做。有時候?qū)嶒灲Y(jié)束，拉開窗簾的時候，發(fā)現(xiàn)外邊比屋里還要黑，因為已經(jīng)是半夜了。   

我們不僅做了核心物件，搭建了系統(tǒng)，同時還研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品。這是我們研發(fā)的一款四光束干涉的三維超分辨顯微系統(tǒng)。

四光束三維超分辨成像

這套系統(tǒng)的用處很多，可以做活細胞成像，可以做藥物研發(fā)。這樣的一臺設備，國外同類的產(chǎn)品要賣到500萬元人民幣，而我們的售價只有國外的三分之一。

這張圖就是這套系統(tǒng)拍攝的人體上皮細胞的三維圖，這是這套系統(tǒng)拍攝的肝癌活細胞在肝癌靶向藥物的作用下被殺死的過程。

人體上皮細胞三維成像

藍色的是細胞核，外邊一圈粉色的是細胞膜外包裹的藥物。這個藥物進入到細胞里，然后把細胞殺死了。

 靶向藥物作用肝癌細胞

有了這樣的系統(tǒng)，我們很高興，因為它可以加速我國肝癌靶向藥物的研發(fā)進度，讓更多的癌癥患者得到及時的治療和康復。

我很自豪，因為我們醫(yī)工所不僅做了核心部件，研發(fā)了系統(tǒng)，最重要的是，我們搭建了一個高精度超分辨顯微系統(tǒng)的研發(fā)平臺，這個平臺可以讓中國的生物學家、科學家定制自己的產(chǎn)品，做出世界領先的科研成果。同時我們的系統(tǒng)也賣到了美國、日本、以色列以及德國。

超分辨顯微系統(tǒng)雖然誕生只有二十幾年，但是它在各方面起到的作用都是非常大的。尤其在分子生物學和細胞生物學上，可以說是引起了革命性的變化。

展示一下超分辨顯微系統(tǒng)的魅力。這張圖是小白鼠大腦海馬區(qū)的一個超分辨顯微系統(tǒng)的觀測圖。這是常規(guī)系統(tǒng)拍攝的圖，實際一片模模糊糊。

傳統(tǒng)光學顯微鏡

這是用超分辨顯微系統(tǒng)拍攝的同區(qū)域的圖，逐級放大很多之后，圖像依然很清晰。這張圖是用于阿爾茨海默病的研究的。

這也是一張用超分辨顯微系統(tǒng)拍攝的海馬區(qū)神經(jīng)元絲狀偽足運動的圖像。

   SIM記錄的海馬神經(jīng)元絲狀偽足的運動

這種圖片可以讓我們知道人體是如何感受外邊的刺激，如何傳導信號的。

這是人體直腸癌組織切片的照片。左邊是共聚焦的圖，它最多只有200～300納米；右邊是它的囊泡里面蛋白質(zhì)分布的照片。它非常清楚。通過右邊的這些照片，我們的科學家可以進一步闡述癌癥的發(fā)病機理。

這是人體宮頸癌細胞的一個圖片，細胞里不同的分子，不同的物質(zhì)都能夠分得很清楚，這對我們的科研有著很重要的意義。

 人體宮頸癌細胞

這是一個小鼠大腦神經(jīng)元的樹突，也可以看清我們?nèi)梭w是如何思考，如何在放電。   

小鼠大腦神經(jīng)元樹突

做了30年的科研工作，我的體會就是如果你認準一個目標，就一定要堅持做下去。這就像剛才說到的那位美國科學家，他不去接手家族企業(yè)，而是堅持做自己熱愛的研究，最終成為了一名諾貝爾獎獲得者。

正是因為他一直堅持超分辨顯微系統(tǒng)的研發(fā)，最終他才取得了成功。另外，我們科研工作者有一個夢想，那就是讓我們的產(chǎn)品真正走向世界，讓全世界都用上我們中國制造的超分辨顯微系統(tǒng)。

讓全世界的科學家找到癌癥的發(fā)病機理，找到阿爾茨海默病的發(fā)病機理，研制出更多更好的藥物，服務于我們的健康。