這是一個關(guān)于突破光學(xué)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(shí)際上，在我們平時說話的同時，可能已經(jīng)有5個家庭永遠(yuǎn)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(jī)理是什么？我們怎么去準(zhǔn)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(xì)胞的圖片。海拉細(xì)胞實(shí)際上是研究細(xì)胞的一個“小白鼠”,。這個細(xì)胞的尺度約為10微米,。我們研究癌癥，不僅僅要看這個細(xì)胞的輪廓,，還要看到它里面的這些紅絲,，這些小綠點(diǎn)，這些代表的是細(xì)胞中蛋白質(zhì)等微細(xì)的結(jié)構(gòu),。

 宮頸癌海拉細(xì)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?。▽W(xué)術(shù)名詞叫神經(jīng)退行性疾?。┑幕疾∪藬?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(yán)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(dǎo)致阿爾茨海默病患者發(fā)生如此大的變化,。

要研究這個機(jī)理,，我們要看清神經(jīng)元細(xì)胞，要了解它是怎樣的結(jié)構(gòu),，尤其更微細(xì)的結(jié)構(gòu),，以及神經(jīng)元細(xì)胞如何傳導(dǎo)信號這樣的一個過程。傳統(tǒng)顯微鏡顯然無法幫我們實(shí)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?yàn)槲覀兊纳飳W(xué)家要看清病毒，要看清蛋白質(zhì)這樣尺度的微細(xì)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(shí)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(diǎn)——不能進(jìn)行活體細(xì)胞的觀測,。傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡顯微鏡可以克服這個缺點(diǎn)。

我們很小的時候就知道光學(xué)顯微鏡,，然而實(shí)際上,，用傳統(tǒng)光學(xué)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(xué)顯微系統(tǒng)的成像原理：一個理想的物點(diǎn)經(jīng)過光學(xué)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(diǎn)，那么經(jīng)過顯微系統(tǒng)后,，它就變得模糊了,。

一個點(diǎn)是模糊的，兩個點(diǎn)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(diǎn)離得足夠遠(yuǎn)，我們?nèi)搜勰馨阉鼈兎智濉?/span>

如果兩個點(diǎn)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(rèn)為它達(dá)到了一個極限的水平,，就像這幅圖,。如果兩個點(diǎn)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(xué)家通過嚴(yán)格的理論推導(dǎo)，給出了這個極限距離,，用公式表達(dá)就是d=λ/2nSinα,。

人們?yōu)榱思o(jì)念這位偉大的科學(xué)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(xué)顯微鏡的極限分辨率實(shí)際上只有λ/2，也就是只有200納米,。

熒光顯微技術(shù)

這個公式的發(fā)明確實(shí)解開了困擾科學(xué)家們多年的一個難題,。“光學(xué)顯微系統(tǒng)能達(dá)到多少分辨率”這一難題就像魔咒一樣束縛了科學(xué)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(xì)微的物體,。   

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

為了紀(jì)念這三位科學(xué)家在超分辨顯微系統(tǒng)方面所做出的貢獻(xiàn),，2014年諾貝爾化學(xué)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(xué)獎，而不是物理學(xué)獎,？難道是因?yàn)楣鈱W(xué)顯微鏡屬于物理學(xué)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(xué)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(xiàn)，因?yàn)樗l(fā)明了熒光分子的開關(guān)技術(shù),。

當(dāng)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(guān)一樣,。

     熒光蛋白開關(guān)的方法

這項(xiàng)化學(xué)技術(shù)實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)光學(xué)超分辨的核心之一,，所以給他頒的是諾貝爾化學(xué)獎。

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

比如左邊這幅圖,，每次每個圖都在閃爍，每次只看一個點(diǎn),，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(shí)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(yīng)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(xué)獎的還有德國科學(xué)家黑爾,。他發(fā)明的技術(shù)實(shí)際上是受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)，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(fèi),。

他也發(fā)明了一種獨(dú)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(diǎn)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(diǎn)納米量級的分子的光，如此,，我們就實(shí)現(xiàn)了超分辨,。

受這兩位大師的啟發(fā),，現(xiàn)在的科學(xué)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(xué)界，為生物細(xì)胞研究,，做出了巨大的貢獻(xiàn),。

獲得諾貝爾獎的科學(xué)家都非常聰明，而比他們更聰明的是一些商人,。他們的技術(shù)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(shù)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(dāng)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?jiān)斐鰜砹宋覈谝慌_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(jìn)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(xué)家,。2012年,，中國科學(xué)院蘇州醫(yī)工所的所長唐玉國就率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)的,，我在這個團(tuán)隊(duì)里主要負(fù)責(zé)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?yàn)轱@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(dá)到6毫米,，分辨率可以到0.5微米,，可用于我們腦神經(jīng)細(xì)胞、神經(jīng)區(qū)域的拍攝,。因?yàn)楹ｑR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(shí)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(fù)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(xué)元件，其中有的小光學(xué)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(xué)材料、加工,、鍍膜,，最難的地方就是把所有的光學(xué)件和機(jī)械件集成起來。

因?yàn)槲覈壳斑€缺乏物鏡集成這方面的人才,，我們的團(tuán)隊(duì)更缺乏有經(jīng)驗(yàn)的科研人員,。后來，我們在全國所有的光學(xué)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(yàn)。我們把他請到實(shí)驗(yàn)室,，經(jīng)過一年的反復(fù)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?yàn)槔蠋煾笛b配物鏡只能靠他的經(jīng)驗(yàn),，靠他的手感，我們不能復(fù)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(jìn)了實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)化的,、數(shù)字化的裝配流程和工藝,。在物鏡研發(fā)過程當(dāng)中，團(tuán)隊(duì)成員經(jīng)常加班,，經(jīng)常點(diǎn)外賣,。

有時候外賣點(diǎn)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(diǎn)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(dāng)于三艘宇宙飛船在浩渺的空間進(jìn)行準(zhǔn)確對接,。為了攻克這個難關(guān),，科研人員一頭扎進(jìn)了暗室，不分白天黑夜地去做,。有時候?qū)嶒?yàn)結(jié)束,，拉開窗簾的時候，發(fā)現(xiàn)外邊比屋里還要黑,，因?yàn)橐呀?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(quán)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(xì)胞成像,，可以做藥物研發(fā)。這樣的一臺設(shè)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(xì)胞的三維圖，這是這套系統(tǒng)拍攝的肝癌活細(xì)胞在肝癌靶向藥物的作用下被殺死的過程,。

人體上皮細(xì)胞三維成像

藍(lán)色的是細(xì)胞核,，外邊一圈粉色的是細(xì)胞膜外包裹的藥物。這個藥物進(jìn)入到細(xì)胞里,，然后把細(xì)胞殺死了。

 靶向藥物作用肝癌細(xì)胞

有了這樣的系統(tǒng),，我們很高興,，因?yàn)樗梢约铀傥覈伟┌邢蛩幬锏难邪l(fā)進(jìn)度，讓更多的癌癥患者得到及時的治療和康復(fù),。

我很自豪,，因?yàn)槲覀冡t(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(xué)家,、科學(xué)家定制自己的產(chǎn)品,，做出世界領(lǐng)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(xué)和細(xì)胞生物學(xué)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(shí)際一片模模糊糊,。

傳統(tǒng)光學(xué)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(yùn)動的圖像,。

   SIM記錄的海馬神經(jīng)元絲狀偽足的運(yùn)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(dǎo)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(xué)家可以進(jìn)一步闡述癌癥的發(fā)病機(jī)理。

這是人體宮頸癌細(xì)胞的一個圖片,，細(xì)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(xì)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(rèn)準(zhǔn)一個目標(biāo)，就一定要堅(jiān)持做下去,。這就像剛才說到的那位美國科學(xué)家,，他不去接手家族企業(yè)，而是堅(jiān)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?yàn)樗恢眻?jiān)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(xué)家找到癌癥的發(fā)病機(jī)理，找到阿爾茨海默病的發(fā)病機(jī)理,，研制出更多更好的藥物,，服務(wù)于我們的健康。