5月20日，由中國工程院外籍院士、澳大利亞科學院院士、澳大利亞技術科學與工程院院士顧敏領銜的上海理工大學光子芯片研究院舉行MINFLUX設備啟動儀式。這臺MINFLUX設備是世界上最早研制的三臺同款儀器之一，也是在亞太地區出現的首臺單納米尺度的成像系統。此舉是為了推進上海理工大學“高水平地方高校”建設，打造世界一流的光學實驗室。
2014年諾貝爾化學獎得主Stefan Hell教授在視頻致辭中表示，該系統將會讓上海和上理工在世界光學成像領域擁有獨特的地位。
能看清楚1納米大小的“活細胞”
2014年諾貝爾化學獎被授予三位科學家，以表彰他們在超分辨率熒光顯微技術領域取得的成就。Stefan Hell教授就是其中的一位。
很長時間以來，人們都認為光學顯微技術無法突破一條極限：它永遠不可能獲得比所用光的半波長更高的分辨率，這被稱為“阿貝分辨率”，這也被稱為是衍射極限。
Stefan Hell一直希望打破這個衍射極限。一天，Stefan Hell正躺在研究生公寓的床上看一本有關光學量子理論的書，突然靈光一閃，他的腦海里浮現了一個想法：用一束鐳射激發熒光分子發光，用另一束鐳射消除所有“大尺寸”物體的熒光，通過運用兩束鐳射和掃描樣品，呈現出尺寸小于0.2微米的分辨圖。黑爾給他的這項發明取名STED，即受激發射損耗顯微鏡。2000年，《美國國家科學院院刊》發表了黑爾的科研成果。事實證明，采用Stefan Hell的STED技術，人們第一次得到了納米級的熒光圖像，他將顯微技術帶入“納米”領域。
上海理工大學光子芯片研究院執行副院長張啟明教授告訴記者，依靠STED技術，當年的超分辨率熒光顯微鏡可以看到20納米尺度的物質。目前，最先進的冷凍電鏡技術也只能看到小尺度的死細胞。
2017年，Stefan Hell教授首次提出基于最小輻射通量的超分辨顯納技術MINFLUX，就此開啟“后超分辨時代”。其原理是通過將基于結構光定位技術的受激輻射損耗顯微技術與單分子熒光顯微技術相結合，在納米和亞毫秒尺度上利用探測器接收到的最小輻射通量定位熒光分子位置。通俗說，這是一種光學“甜甜圈”模式，可以精準捕獲和定位納米尺度的活體細胞，探測器360度區域依次快速成像，最后就可以看清楚1納米大小的“活細胞”。
有望揭開腦部神經元工作之謎
1納米大小的活體細胞成像意味著什么呢？張啟明告訴記者，腦部神經元的突觸特征結構大小在幾個納米左右，如果可以用熒光顯微鏡看清楚腦部神經元的工作模式，就有望揭開腦科學中的一大謎團。
據介紹，目前已經有上海的實驗室預備進行小鼠胚胎的開顱觀察實驗，希望通過這臺單納米尺度的成像系統，找到小鼠腦部神經元細胞的工作原理，也將真正破解人工智能技術發展的桎梏和瓶頸。
顧敏告訴記者，單納米尺度的成像系統在在生物學基礎研究方面與冷凍電鏡有著同等重要的作用，它落戶上海，有望為中國科學界研究神經網絡提供了嶄新的平臺。該系統的多色、活體、亞毫秒級與納米級時空超分辨熒光成像與追蹤的強大功能，也會為芯片研發、光信息存儲、生物制藥如研究病毒侵擾宿體與變異機制方面的研究提供強大的科研工具。
這套亞太地區出現的單納米尺度的成像系統體積十分龐大。據悉，除了助力科研，上海理工大學光子芯片研究院的另一項任務是助其“瘦身”，希望通過多學科聚焦，使其未來更好地運用到實驗室科研工作中去。
來源：上海科技報 記者：吳苡婷
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