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X-Doctor丨微观探秘:北京大学席鹏教授的光学之旅

已有 663 次阅读 2024-4-12 09:52 |个人分类:科研心得|系统分类:观点评述

【X-Doctor】2024年,iCANX推出X-Doctor专栏,聚焦iCANX上独辟蹊径用科技创新改变世界的科学家和他们的科学发现,每期揭秘一位科学家和他/她的探索之路,独家报道、干货满满。欢迎大家一同感受科学的魅力,见证这些创新的力量。第13期,X-Doctor将带你走近北京大学席鹏教授,感受一下他在光学领域的探索。

在人类对微观世界的探索历程中,科学家们用他们的智慧和勇气,不断挑战着技术的极限,为人类打开了一扇又一扇未知世界的窗户。席鹏教授,作为中国在超分辨荧光成像技术领域的领军人物,正是这些勇敢探索者的杰出代表。

席鹏博士是北京大学未来技术学院教授。他目前的研究兴趣集中在光学超分辨显微镜、共焦和多光子显微镜的研究和开发。席鹏博士在《Nature》等同行评审期刊上发表了90多篇科学论文,拥有21项已授权专利,其中3项美国专利。他是OPTICA(原OSA) 的高级会员。他的研究得到了国家自然科学基金委(NSFC)和科技部(MOST)的资助。

席鹏博士担任5个SCI收录期刊的编委:Light. Sci. Appl., Advanced Photonics, Scientific Reports, Microscopy Research and Techniques, and Micron。他还应邀在OSA和SPIE主办的国际会议上做了50多场特邀报告。

早在 2021年,席鹏教授就在iCANX做过演讲。

演讲中,席鹏教授提到了超分辨显微镜可以通过前所未有的空间分辨率来研究生物相互作用。在这里,席鹏教授将介绍基于偏振的结构照明显微成像技术的两个进展:

(1)我们开发了偏振结构照明显微镜(pSIM),它通过解析空间角度超空间中的偶极子来实现偶极子超分辨率成像。我们展示了pSIM在一系列生物系统中的应用,如细胞骨架网络和λ-DNA,以及短肌动蛋白-肌球蛋白相互作用动力学。此外,pSIM揭示了海马神经元膜相关周期性骨架中,肌动蛋白环结构的并排组装。

(2) 我们进一步报道了光谱和偏振光学层析(SPOT)技术来研究活细胞中的亚细胞脂质组学。SPOT只需使用一种普遍染色脂膜的单一染料,就可以分别从强度、光谱和偏振三个光学维度同时解析脂膜的形态、极性和相位。这些高通量光学特性揭示了10种亚细胞器在不同发育阶段,甚至在同一细胞器内的脂质异质性。

详细请扫码回看:

科研之旅

席鹏教授的科研之旅始于他的本科学习阶段。他曾就读于山西大学电子信息工程系,正是在这里,他初次接触到了光学,并被其独特的魅力所吸引。他深知,光学不仅仅是科学,更是技术,是可以改变人们生活的力量。因此,他决定投身于光学领域的研究,用他的知识和技能为人类社会的发展做出贡献。

在本科阶段的学习中,席鹏教授展现出了他对光学的浓厚兴趣和卓越才华。他深入研究了光学的各种现象,通过自学和参加学术讲座等方式不断充实自己的知识储备。他的勤奋和才华得到了老师们的高度认可,为他日后的科研生涯奠定了坚实的基础。

为了更深入地研究光学,席鹏教授在本科毕业后被保送至中国科学院上海光学精密机械研究所攻读博士学位。在这里,他跟随周常河导师进行光学方面的研究,取得了丰硕的科研成果。他和导师合作制作了一些光的分束器件,如远场的达曼光栅等,这些成果为他日后在光学领域的研究打下了坚实的基础。

在博士毕业后,席鹏教授在香港科技大学电子工程系从事博士后研究工作。这次的研究领域与以往不同,他开始将光学应用于生命科学研究。他利用自发荧光的光谱去分析癌症的良恶性,这种利用光学研究疾病的经历让他再次领略了光学应用的神奇之处。这次的研究经历让他深刻认识到光学在生命科学研究中的重要性,也坚定了他在这个领域继续深入研究的决心。

在美国普渡大学和密歇根州立大学从事博士后研究工作期间,席鹏教授对超分辨荧光成像技术产生了浓厚的兴趣。他认识到这项技术在生命科学研究中的巨大潜力,决定将其作为自己未来的研究方向。他跟随著名科学家斯蒂芬·赫尔学习超分辨荧光成像技术,并在他的指导下进行了一系列深入的研究。

2010年,席鹏教授回到中国,在北京大学建立了自己的实验室,继续开展超分辨荧光成像技术的研究。他带领团队不断探索这项技术在生命科学研究中的应用,为国内的生命科学研究做出了重要的贡献。

席鹏在实验室

席鹏教授在超分辨荧光成像技术领域的研究取得了不俗的成绩。他成功突破了传统显微镜的分辨率限制,为生命科学研究带来了全新的观察尺度。他的研究成果得到了国际学术界的广泛认可,他也因此成为国内公认的STED技术领航人。

超分辨技术领航人

STED技术是一种超分辨显微技术,它是受激发射损耗显微镜(Stimulated Emission Depletion Microscopy)的缩写。该技术利用两束激光同时照射样品,其中一束激光用来激发荧光分子,使物镜焦点范围内的荧光分子处于激发态;同时,用另外一束中心光强为零的环形损耗激光与之叠加,使物镜焦点边沿区域处于激发态的荧光分子通过受激辐射损耗过程返回基态而不自发辐射荧光,从而只有中心区域的荧光分子可自发辐射荧光,从而获得超衍射极限的荧光发光点。STED技术可以提高光学显微镜的分辨率,实现30~50 nm的三维分辨率。

席鹏的研究成果案例之一是利用STED技术对癌症细胞的观察。在传统的光学显微镜下,细胞的分辨率受到衍射极限的限制,难以观察到细胞内部的细微结构。而席鹏通过引入STED技术,成功突破了这一限制,将细胞的分辨率提高到了几十纳米级别,为癌症细胞的研究提供了更精确的观察手段。

线粒体内嵴与mtDNA的STED成像

除此之外,席鹏教授还利用结构光超分辨显微(SIM)技术对神经元网络进行了深入研究。神经元网络是大脑中信息传递的基础,对于神经系统的功能和疾病研究具有重要意义。通过SIM技术,席鹏能够观察到神经元之间的连接方式,为神经退行性疾病如帕金森病、阿尔茨海默病等的诊断和治疗提供了新的思路。

席鹏教授还致力于将光学技术应用于其他领域。例如,他利用光学技术对细菌和病毒进行超分辨成像和检测,为公共卫生领域提供了重要的技术支持。他还通过超分辨显微技术对生物大分子和细胞器的动态互作进行了深入研究,为生物医学领域的研究提供了新的工具和方法。

席鹏教授的科研成果不仅在国内产生了深远的影响,也在国际学术界赢得了广泛的赞誉。他曾多次受邀在国际学术会议上做特邀报告,介绍他的研究成果和进展。他的团队也与国际上许多知名的科学家和实验室建立了紧密的合作关系,共同推动超分辨荧光成像技术的发展和应用。

教学科研两不误

除了科研工作外,席鹏教授还非常注重培养学生的科研能力和创新精神。他相信教育的力量可以改变一个人的命运,也可以推动整个社会的发展。因此,他积极鼓励学生们参与到科研项目中来,为他们提供良好的学术环境和指导。他的学生中许多人已经成长为国内外的优秀科学家和研究者,为科学事业的发展做出了贡献。

2018年12月,北京首届杰出青年科学基金项目名单公布,席鹏教授主持的“单细菌超分辨率成像与基因组测序”项目成功入选。对于他来说,这不仅是对他多年科研工作的肯定和认可,更是对他未来研究的鼓励和支持。他将继续带领团队在这个领域深入探索,为人类的健康和发展做出更大的贡献。2020年10月,席鹏教授成功获批国家自然科学基金委杰出青年项目“超分辨荧光显微成像”。2022年11月,席鹏教授作为项目首席科学家,领衔了科技部重点研发专项 “活细胞超分辨率三维全景成像与解析技术体系研发”的科技攻关。

团队合影

从技术到产品

受到他的多位学术导师的影响,如普渡大学的J.Paul Robinson教授、密西根州立大学的Marcos Dantus教授、诺奖得主德国马普生物物理化学研究所Stefan W.Hell教授的以身垂范,席鹏教授还致力于超分辨技术到产品的转化。在2020年,他与合伙人成立了北京艾锐精仪科技有限公司,推出了全球首创的偏振结构光超分辨显微成像系统Polar-SIM。这一系统能够同时提取荧光超分辨信息和偶极子信息,为研究细胞器的结构与功能提供了全新的技术手段。同时,为了适应不同的生物样品,艾锐Polar-SIM开发了多达26种成像模式,并融合了先进的计算成像算法,能够为生命科学领域用户提供活细胞长时程、高速、超分辨、低光毒性的一站式成像解决方案。

席鹏教授一贯的科研与教学理念是:产学研用链条式发展。好的科学仪器需要基础科学与创新技术的赋能;同时它需要在应用中不断迭代,解决应用的各种问题。而产业的发展能够将大量相关人才吸引和聚集到本领域,利用公司的力量来拓展学术界的人力、财力、空间的不足。这对于中国科学家而言,是一条全新的发展道路;但只有走好这条路,才能在新时代的改革与发展中,交出一份属于中国科学家的答卷。

回顾席鹏教授的科研之路,我们不难发现,他始终保持着对科学的热爱和追求。从本科阶段对光学的初步接触,到博士后在生命科学研究中的应用探索,再到回国后建立自己的实验室并取得丰硕的科研成果,席鹏教授的每一步都充满了激情和奋斗。他的故事告诉我们:只有热爱和坚持,才能让我们在科学的道路上走得更远、更高。

在未来的科研道路上,席鹏教授将继续带领团队探索超分辨荧光成像技术的新原理、新方法和新应用。他希望通过自己的努力和团队的合作,能够为人类社会的健康、环保和可持续发展做出更大的贡献。我们也期待着他在未来的科研工作中取得更加卓越的成就和突破性进展。

下期预告

下一期,X-Doctor将走近华中科技大学黄永安教授,感受一下他在柔性电子领域的应用革新。

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iCANX2024达沃斯科学峰会将于2024年7月11日-12日举行。本次大会将邀请数百名国际著名科学家、行业专家、政策制定者及知名投资人参会,在将近20个分论坛上,就创新、科学、技术、投资、管理和创业等多个话题分享和展示各自的最新成果,探讨行业未来的发展方向。

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