微观世界“探秘神器” 科研人员都在用谁家超分辨显微镜？

1873年，德国物理学家恩斯特·阿贝(Ernst Abbe)提出光学显微镜存在分辨率极限，约为200nm。2014年的诺贝尔化学奖同时授予了三位科学家，他们在突破了“阿贝极限”，在超分辨荧光成像技术领域做出重要成绩，将光学显微技术带入到纳米尺度。

近些年来，超分辨显微技术得到了快速发展，当前主要的超分辨技术有结构光照明（SIM）、受激发射损耗（STED）、光激活定位显微（PALM）、随机光学重构（STORM）等，获诺奖的两种超分辨技术分别是STED和单分子定位显微技术，后一类技术的典型代表目前有光激活定位显微（PALM）和随机光学重构显微（STORM）。随着超分辨技术的发展与成熟，几大显微公司也纷纷推出各自的商业化产品，并根据各技术的特点和优势应用到不同的生命科学研究当中。

本文对国内实验室共享的超分辨显微仪器进行了盘点，共统计到70台，未在所用统计平台上传的仪器不在本次统计范围之中。超分辨显微镜的货值较高，应用领域较专业，虽然统计到的共享仪器数据量不大，但一定程度上可反映出其时间地域分布、科研单位特定技术需求以及对于品牌的选择。

获“诺奖”后超分辨共享启用提速 北京占比超30%

图1 共享超分辨显微镜各省分布

本次统计当中，分布在北京的超分辨显微镜数量最多，占比约为30%，其中北京大学和中科院系统（包括中科院生物物理所、中科院动物研究所）的共享仪器数量相对较多。除北京以外，江苏省上传的共享超分辨显微镜数量较多，主要分布单位是江南大学、南京农业大学和东南大学。

图2 共享仪器启用时间分布

本次统计的共享超分辨显微镜的启用时间可以看出，2014年以后，共享仪器大幅增加，而2018年启用的共享超分辨显微镜最多。

尼康近4成 STORM技术应用更广泛

图4 共享超分辨显微镜品牌占比

本次统计的共享超分辨显微系统品牌分布如图4，最多的是尼康，占比38%，主要技术类型则是STORM；其次是蔡司，主要技术类型是蔡司的Airyscan（部分仪器未标明具体技术，Lattice SIM和SMLM未统计到），占比为22%；STED技术是第一个用来突破衍射极限的远场光学显微技术，目前国内市场主要是徕卡的产品，在本次统计中占比为17%。

图3 各超分辨技术占比

主要超分辨技术应用占比如图3，全国来看，应用最多的是STORM技术，占比22%，其次是蔡司的Airyscan（不包括Airyscan2）和SIM，分别占比21%和19%。而以样本量最多的北京地区分析，最多的是STORM技术，占比26%，STED、SIM其次，占比均为21%。STORM超分辨技术是目前分辨率最高的技术，据称可达20nm。另有报道显示，苏州医工所自主研制的超分辨显微成像系统主要基于STED和STORM技术，而本次统计到的苏州医工所自主研制的仪器还用到了SIM 技术，根据苏州医工所官网报道，其STED超分辨显微镜分辨率达到50nm。

表1 超分辨技术和商业化企业

超分辨技术/主要公司	蔡司	徕卡	尼康	奥林巴斯	GE
SIM	√（Lattice SIM）		√		√
PALM	√		√
STORM	√（SMLM）		√
STED		√
Airyscan	√
OSR				√

多方发力 国产超分辨技术追赶正当时

在被国外品牌长期“统治”的高端光学显微镜领域，中国科研人员始终坚持研发力求突破，令人欣喜的是，在本次统计中，国产超分辨显微系统共有5台，占比7%，其中苏州医工所2台，中科院生物物理3台，这些超分辨显微技术也已经对科研人员开放使用，并且依靠自主研发的仪器做出的数据也发表了高质量的文章。此外，北京大学陈良怡教授团队与合作者在2018年研发出的超高分辨率显微镜 -- 海森结构光显微镜（Hessian-SIM），研究成果在Nature Biotechnology上发表，并夺得了生物成像领域的多个“首次”，也被评为当年的“中国光学十大进展”。据悉北京世纪桑尼科技有限公司正在研发商业化超分辨模块，近期将有测试数据，仪器信息网将持续关注。

当前，飞速发展的中国生命科学和医学向中国的高端科研仪器制造提出要求。近些年来，高端显微设备国产化方面，越来越多的中国自主研制超分辨、双光子和共聚焦等高端显微镜问世。虽然超分辨显微技术越来越成熟，但空间与时间、成本与性能的博弈还在持续，超分辨显微成像技术仍有进步的余地，期待国产超分辨显微镜能够继续奋起直追，早日立足国际舞台。