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西安智造有望打破国外产品垄断

2016-08-31 09:14
瑾年Invader
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  “简单地说,我们的技术使光学显微镜实现了更高分辨率、更快速的三维立体成像,将会对相关的生物医学研究起到很大的推动作用。”

  中科院西安光机所姚保利研究员昨日介绍,他和雷铭研究员领导的超分辨成像创新团队,与中科院动物研究所杨星科研究员领导的微小动物形态学研究团队合作,成功将自主研发的新型结构光照明显微镜应用于微小动物的快速高分辨三维形态复原,为生物的演化、分类(科)、外来物种鉴别等生物形态学的深入研究提供了直接的科研证据。

  可重构物体三维立体图像

  对微小动物做快速、高分辨三维形态复原,依赖于一种被称作D-SIM的新技术(国家发明专利ZL201110448980.8)。该技术是由西安光机所姚保利、雷铭团队研发的基于DMD器件调制和LED照明的结构光照明显微技术,简称D-SIM。团队技术骨干雷铭研究员介绍说,这种技术使用高速的数字微镜器件(DMD)和高亮度的LED光源来产生结构光场照明待测的样品。那什么是结构光场?雷铭博士接着说:“所有的发光源都有自己的发光‘图案’,比如我们常见的手电筒发出的是圆形光斑,结构光场就是具有特殊空间强度分布的照明光,如条纹状分布的图案等,目的是通过这种特殊的结构光场与待测样品相互作用,把样品的精细结构信息耦合到可以探测的混叠图案之中,然后通过特定的算法,解析出高分辨率的图像。”值得一提的是,这种技术既可以实现超分辨成像,即超越光学衍射极限的高分辨成像,也可以用于三维立体成像,即重构一个物体的三维立体图像。

  与当前广泛使用的共焦激光扫描显微镜(CLSM)和微计算层析(micro-CT)等三维显微成像技术相比,D-SIM不仅具有更高的分辨率、更短的成像时间和更好的成像质量,并且大幅降低了仪器装置的复杂度和制造成本。在三维层析成像模式下,该技术原本主要针对亚毫米量级的样本进行观察。团队主要成员但旦博士解释说:“高放大倍数光学显微镜的观察视场都很小,通常小于1个毫米(即亚毫米),适合于观察微生物和生物细胞等微小结构,如酵母菌、线粒体、神经元等。然而,除了亚毫米的生物样本,还有很多生物样本的尺寸为毫米至厘米量级甚至更大尺寸。”

  有望成普通实验室常用成像设备

  为了使D-SIM技术也适合于毫米至厘米量级的样品,经过双方团队的通力合作,提出了一个专门针对大尺寸微小动物快速三维成像的解决方案。实验以六种不同门类为代表的无脊椎动物为样本,通过与当今流行的三维显微成像技术进行对比,发现D-SIM技术在对微小动物精微三维结构成像质量、成像速度、样本制备方法上要优于现有的其他技术。但旦博士解释说:“以前使用的技术手段,比如共焦显微镜或micro-CT,最大的缺点就是耗时很长,而我们的新技术则省时高效,耗时大概能缩短10倍。这可以帮助生物学家更快、更清晰地根据生物形态做分类(科)以及其他更深层次的研究。”

  实际应用和解决问题是检验和体现自主研制科学仪器价值的有效方式。D-SIM技术成果一经公开就得到了国内生物医学研究机构的强烈关注,如中科院生物物理研究所、中科院动物研究所、第四军医大学、北京大学等各大科研院所和高校,并已在细胞生物学、脑神经科学、动物形态学、古生物学等学科方向取得了一些有意义的实验结果。部分研究成果已写入英文专著章节,发表在Scientific Reports等国际一流学术期刊上,引起了国内外同行的广泛关注和引用,其中一篇下载量已超过2.3万次。该技术已授权国家发明专利一项,申请国际专利PCT一项;获得中国科学院十二五期间重大标志性成果之一;2016年获得“中国光学工程学会科技创新二等奖”。本次西安光机所研制的科学仪器成功用于微小生物形态学研究,为该领域研究提供了一种新的技术手段。据悉,该研究成果于2016年6月正式发表在《动物学前沿》(Frontiers in Zoology)科学期刊上。该技术的发明和应用体现了科研人员不断攻关、持续创新的能力,也表明西安光机所在多学科交叉、科研成果转化方面迈出了坚实的一步。

  光学显微镜是生物医学等领域进行科学研究和疾病诊断的必备仪器,与生命科学的深入研究和人类健康息息相关,有着广阔的应用市场。据介绍,该新技术目前尚未推向市场,与国外同类产品相比,D-SIM在技术先进性、成本和兼容性方面具有很大优势,有望打破国内高端显微镜市场被国外产品垄断的局面,成为普通实验室的常用成像设备。姚保利研究员说:“从技术角度讲,转化为商用仪器已经没有问题。但是走向市场就会涉及到一系列的商业运作,包括仪器的外观包装,软硬件的人性化设计,技术支持与服务,客户的个性化需求分析等等一系列问题,目前尚在准备阶段。”
 

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