三秦学人 姚保利：打造探索未知世界的“慧眼”

姚保利研究员（中）向外国专家介绍最新研究成果。

魏杰治印

本报记者 霍强 文/图 

 学人小传

 姚保利，中国科学院西安光学精密机械研究所（简称“西安光机所”）研究员，博士生导师，瞬态光学与光子技术国家重点实验室副主任，享受国务院政府特殊津贴专家。

姚保利长期致力于信息光学和生物光子学领域研究，在超分辨光学成像、光学微操纵、数字全息显微、矢量光学等方向取得了系列成果；在国内外学术期刊发表论文220余篇，出版中英文专著章节五部；获授权发明专利16项；获陕西省科学技术奖一等奖两项、二等奖一项；获第二届中国光学工程学会科技创新奖创新技术二等奖。

6月29日，“科学中国人（2017）年度人物”盛典在北京隆重举行。西安光机所姚保利研究员荣获信息技术领域“科学中国人（2017）年度人物”称号，该领域共有46名科研人员获得提名，最终15人获奖。“被评为‘科学中国人年度人物\’，是对我科研工作的一种认可。我会继续埋头苦干，努力掌握光学显微成像领域的核心技术。”姚保利如是说。

“科学中国人年度人物”评选活动由科学中国人杂志社主办，至今已举办15届，成为国内科技界有重要影响力的活动之一。

姚保利作为西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室副主任，长期致力于信息光学和生物光子学领域研究，在超分辨光学成像、光学微操纵、数字全息显微、矢量光学等方向取得了系列成果。他牵头研制出了我国首台具有自主知识产权的结构照明超分辨显微成像系统，分辨率达到同类技术国际最高水平；研发的自主知识产权激光光镊产品，成功投放市场并出口加拿大；研制出国际首台双光子激发激光扫描实时立体显微镜。这些研究成果受到了国内外同行的广泛关注。 

潜心钻研

让人们“看”得更远更细更清楚

众所周知，光学成像技术在人类探索和发现未知世界奥秘的活动中扮演着重要角色。大到宇宙，小到分子，看得更远、更细、更清楚是人们不断追求的目标。但受限于光的衍射特性，传统光学系统的空间分辨率不可能无限小，存在着物理极限。能否突破极限，继续提高光学系统的成像分辨率，成为当今光学领域公认的一个重大研究课题。

姚保利和他的团队经过多年潜心钻研，自主研发出了结构照明光学超分辨和三维层析显微镜，以DMD调制器件和LED照明光源为结构照明显微镜核心（D-SIM），成像速度是传统激光共聚焦显微镜的10倍，并且具有全彩色三维成像能力。D-SIM技术一经发布，就受到了国内生物医学研究机构的强烈关注。

“虽然电子显微镜、原子力显微镜等可以获得更高的分辨率，但由于存在不能活体实时成像、样品制备复杂等技术限制，光学显微镜仍然是当前生物医学、材料化学等学科研究中的主要观测设备。但是普通光学显微镜的横向分辨率极限约为200纳米，这对亚细胞结构和分子生物学研究来说还不够精细。”姚保利告诉记者。

为了突破光的衍射极限，近年来业内涌现出了不少光学超分辨方法，如光激活定位法（PLAM）、随机光学重构法（STORM）、受激发射损耗法（STED）等。但受限于单分子定位算法或点扫描成像方式，这几种超分辨技术成像速度较慢，而且需要一些特殊染料标记样品。

另外一种方式就是使用结构光照明的显微技术（SIM），它使用特殊调制的光场照明样品，通过空间频谱处理的方式获得超分辨图像。由于它属于宽场成像方式，因此成像速度很快。目前，SIM技术只有美国、德国、英国、瑞士等几个国家掌握。

“我们的D-SIM技术与欧美国家的SIM技术相比，具有更高的空间分辨率、更快的成像速度和更好的图像质量，而且大大降低了装置的复杂性和成本。”姚保利说。经过科学测定，D-SIM技术的横向分辨率达到了90纳米，这也是目前国际上同类技术的最高水平。同时，得益于简洁紧凑的光机结构，基于D-SIM技术的显微镜造价只有同类功能显微镜造价的约三分之一，市场应用前景十分广阔。

为了验证D-SIM技术和样机装置在生物医学上的实际应用效果，姚保利和他的团队联合空军军医大学、德国康斯坦茨大学进行了实验研究，利用该技术成功获得了牛肺动脉内皮细胞（BPAE）线粒体和小鼠脑神经元细胞的超分辨图像，并且还实现了小鼠脑神经元细胞和植物花粉的三维光切片成像，其成像深度和成像速度比当前同类切片显微技术均提高了约10倍，这为深层生物样品的大面积快速三维成像提供了一种全新的技术手段。

围绕D-SIM技术，中科院生物物理研究所、中科院动物研究所、空军军医大学、北京大学、西安交通大学等科研院所和高校已经与姚保利团队开展了联合研究，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成果。

“做基础研究一定要耐得住寂寞，没有5年到10年的积累，很难取得像样的成绩。我们希望通过与相关科研机构和单位的合作，进一步提高我国在光学成像领域的研究水平。同时，我们将积极推动成果转化，改变我国在超分辨光学显微镜市场没有自主知识产权高端科学仪器的局面。”姚保利说。

言传身教

为国家打造核心人才队伍

在姚保利看来，科学研究很重要，培养人才同样重要，二者是相辅相成的有机整体。“我希望在科研的过程中发现人才，培养锻炼人才。”姚保利说。

1998年，已经在德国慕尼黑工业大学做了一年博士后的姚保利放弃了留在国外工作的机会，回到西安光机所开始组建自己的光学工程团队。2000年姚保利开始招收培养研究生。目前，他已经培养了20多名硕士和博士。

但旦是姚保利的弟子之一，他在博士毕业后留在了西安光机所工作。提起自己的恩师，但旦感触最深的是“姚老师在学术上很民主，很宽容，鼓励大家多实践，容许大家犯错误。”

“有一次我们做激光干涉实验，两束光光路都很好，但是就是看不到干涉条纹，想了很多办法都没有解决。姚老师就鼓励我们要耐心查文献、查资料，他也和我们一块讨论解决办法。”但旦告诉记者，“最后我们发现是偏振有问题，加了激光偏振器以后，条纹出现了，但是横、竖条纹不能同时清楚成像。这样，我们就继续查资料、想办法。”

这一项实验竟然持续了半年，但旦他们一直在寻找问题根源。在无数次的实验之后，另一名博士研究生汪召军发现可能是实验用的光学分束片有问题。它只有1毫米厚，肉眼根本看不到什么，但是容易产生变形，精度不够。在更换了2毫米厚的产品后，问题终于解决了，但旦他们的实验也得以继续推进。“在这个漫长的实验过程中，姚老师对我们很宽容，和我们一块想办法。我们也积累了很多经验，为以后取得进步打下了基础。”但旦说。

“除了科学研究方面的指引，姚老师对我们工作中的一些具体问题也很关心。”姚保利培养的另一名博士生于湘华接过话题说，“在我们申请国家级和省级科研项目或者在国际期刊发表文章时，姚老师都挤出时间逐字逐句进行修改，好多次他都是出差时坐在高铁上为我们修改。”

姚保利在培养核心人才队伍方面硕果累累。他先后培养的20多名硕士和博士，其中3人获得中国科学院优秀博士学位论文奖，1人获得中国科学院院长特别奖，1人获得德国洪堡研究学者奖，1人获得国家自然科学基金委优秀青年基金，1人入选中组部“青年千人计划”。

2013年，姚保利组建的超分辨光学成像创新团队成为陕西省重点科技创新团队，承担着10余项国家自然科学基金项目。“我希望年轻人一批批成长起来，投身于光学成像领域的基础研究工作，努力掌握核心技术，提升我国在光学成像领域的地位。”姚保利说。

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