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为实现高端光学显微镜国产化不懈奋斗

——记中科院苏州生物医学工程技术研究所研究员张运海

2020-11-19 中国科学报 黄维
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张运海在自研的双光子—STED复合显微镜前工作

  张运海:中科院苏州生物医学工程技术研究所医用光学技术研究室副主任、研究员、博士生导师,从事显微光学超分辨成像领域研究。近5年主持国家重点研发计划“双光子—受激发射损耗(STED)复合显微镜”等国家省市项目、课题7项,其中经费超过1000万元的有2项。

  以国家迫切需求为指引、理论联系实际做研究是中科院苏州生物医学工程技术研究所(以下简称苏州医工所)研究员张运海的初心。

  面对国内生物医学领域高端设备基本依赖进口的现状, 强烈的使命感鞭策着张运海。为了医院能够早日用上国产设备,他加入了主要从事医疗设备研究和开发、生物医学工程研究领域的国家队——苏州医工所,踏上了实现自己初心的道路。

  勇挑显微光学重担

  进入苏州医工所的张运海主要从事显微光学尤其是共聚焦成像的研究和相关显微镜的研发工作。

  当时,显微光学研发团队尚未建立,张运海带领着三位非光学专业的应届硕士生,从零开始建设实验室。

  张运海带领几个“门外汉”对显微光学领域进行了系统性调研,发现国内的显微镜公司只能生产中低端显微镜,高端光学显微镜如激光扫描共聚焦显微镜、双光子显微镜、受激发射损耗(STED)超分辨显微镜等全部被国外传统光学巨头公司垄断。国内的显微光学研究比较薄弱,只有少数几家单位从事成像方法和技术研究。

  为尽快积累共聚焦成像方面的技术,张运海根据之前开展光学工作的经验,迅速制定了一个光学实验室建设方案,列出了一批需要采购的实验仪器和元器件清单,组织人员进行采购,并多方走访,引进各种人才充实科研队伍。

  建设实验室的巨大压力压在张运海肩头,他常以“艰难困苦,玉汝于成”来激励自己,成功度过了艰难时期,在半年的时间内建立起一个能够开展各种光学成像实验的实验室。

  矢志不渝攻克难题

  张运海从事的是显微光学重要分支——激光点扫描成像的研发工作。在团队和实验室初步建设的基础上,他很快制定了研究规划,先从激光共聚焦成像(具有分层成像能力)做起,在此基础上开展双光子成像(具有较高的成像深度)、STED超分辨成像(具有较高的成像分辨率)、双光子—STED复合成像研究,并开展相应的显微镜样机研制。

  在研究规划实施过程中,张运海带领团队解决了大量成像技术难题。激光点扫描成像意味着必须生成符合要求的“激光点”。这里的激光点是特指激光经物镜聚焦后在焦点区域的三维光强分布,不同的成像方式需要的激光光斑三维分布形状不同。其中,STED显微成像和双光子—STED成像中有两束或三束光需要聚焦光斑在三维空间精确重合,精度达10纳米,这相当于在浩瀚的宇宙中,在不可见的情况下,将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了巨大挑战。

  张运海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。

  九年来,团队成员一直坚守初衷,苦干攻关,最终采用金纳米粒子对聚焦光斑进行三维扫描成像、压电陶瓷驱动调节反射镜技术等,成功解决了聚焦光斑三维光强分布测量和三维高精度合束技术难题。

  躬行实践促进转化

  在显微镜研制过程中,需要提高仪器的稳定性和可靠性等,这样研制的显微镜才能从实验室走向用户能使用的产品。张运海带领团队逐一解决工程技术细节问题。在解决显微镜工程技术问题基础上,他带领团队在国内率先推出具有四路激光激发和三通道光谱分光探测型激光扫描共聚焦显微镜。样机在相关单位进行了试用,取得了满意的效果。

  在不懈努力下,张运海及其团队完成了激光扫描共聚焦显微镜、STED超分辨显微镜、皮肤反射式共聚焦显微镜等高端光学仪器的自主开发,从技术上打破国外垄断,实现成果转化,转化总金额近2000万元,取得了较好的经济社会效益。

  在张运海的带领下,团队成员将继续开拓创新,进一步推动共聚焦显微镜、STED显微镜和双光子—STED复合显微镜核心部件及系统工程化、产业化,为推动中国显微光学发展而努力奋斗。(作者:黄维,单位:中科院苏州生物医学工程技术研究所)

  (原载于《中国科学报》 2020-11-19 第3版 信息技术)
打印 责任编辑:张芳丹

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