单分子检测技术研究论文何皓博士

因为单原子荧光的测量需要更高仪器的灵敏度。原子荧光光谱分析法具有很高的灵敏度，校正曲线的线性范围宽，能进行多元素同时测定。原子荧光光谱是介于原子发射光谱和原子吸收光谱之间的光谱分析技术。它的基本原理是基态原子（一般蒸汽状态）吸收合适的特定频率的辐射而被激发至高能态，而后激发过程中以光辐射的形式发射出特征波长的荧光。单分子检测是近十年来迅速发展起来的一种超灵敏的检测技术，为分析化学工作者打开了一扇新的大门。单分子检测(SMD)及其分析是一个考察细胞系统内动力学变化以及物质相互作用的精妙方法。人们不仅可以在溶液中对单个分子进行检测和成像，而且可以通过对单分子的光谱性质进行测量，从而对化学反应的途径进行实时监测，特别是能对生物大分子进行探测并提供分子结构与功能之间的信息。单分子荧光检测形式可分为基本的三种：光子爆发检测、单分子图像记录和单分子光谱测绘。光子爆发检测最为简单，直接测定爆发的光子数。单分子成像可指示分子在图像中的位置和发光强弱，实时跟踪记录单分子。

1960年5月16日，美国物理学家梅曼制造出了第一台激光器：红宝石激光器。为光的应用翻开崭新的一页。从那时起，光的功能不再局限在照明，开始进入通信、医疗、环保、能源等众多领域，推动人类的发展坐上了“高速列车”。

为了纪念梅曼制造的第一台红宝石激光器，联合国教科文组织将每年的5月16日设为“国际光日”，旨在昭彰光学与光子学的巨大影响力。

同样，光学技术也在不断赋能医疗器械领域，应用逐渐成熟且范围逐步扩大，显示出巨大的市场前景。 围绕光学技术在医疗器械领域的应用现状和市场以及本土光学技术在医疗器械领域的机遇和挑战，感知芯视界对国家高性能医疗器械创新中心副研究员赫家烨博士进行专访。

编辑 感知芯视界

| 专访人物

国家高性能医疗器械创新中心副研究员赫家烨

赫家烨，博士，国家高性能医疗器械创新中心副研究员。2013年毕业于英国剑桥大学数学系。是英国剑桥大学、华威大学硕士，德国马克思普朗克研究所博士、博士后。先后在美国威斯康辛大学麦迪逊分校（UW-Madison）、Morgridge Institute for Research从事生物光学显微研究。其博士导师Jan Huisken为光片显微镜创始人，博士后指导Ralf Jungmann为DNA-PAINT 超分辨技术创始人。其博士期间，完成了多种模型生物的世界首次光片成像。

赫家烨2021年加入国家高性能医疗器械创新中心，开展新型病理光学成像检测仪器的技术攻关工作。短短2年时间， 其团队已完成了近10个核心专利和原理样机， 计划在一年内进行临床验证，实现国际前沿光学检验技术的国产化落地与产业转化。

独家专访

脱离临床应用场景，纯技术创新走不通

光学无处不在，太阳能的利用，激光的焊接和切割，芯片制造，电影的放映，光纤通信，光合作用，X光的应用和显微镜的应用等。在医疗领域，光学技术更是起着无可替代的作用。

医疗器械作为现代医疗的重要工具，在疾病的预防、诊断与治疗中发挥着极其重要的作用，其战略地位受到世界各国的高度重视，而光学技术又是高性能医疗器械的底层核心技术之一，赋能医疗器械产业繁荣发展。

国家高性能医疗器械创新中心（简称“国创中心”）诞生之初，便瞄准了光学技术在医疗器械中的多个应用方面，旨在突破技术壁垒，填补国内行业技术空白。

2020年4月，由迈瑞医疗、中国科学院深圳先进技术研究院、联影医疗、先健 科技 、哈尔滨工业大学等牵头组建成立了国家高性能医疗器械创新中心，聚焦高端医学影像、体外诊断、生物材料与植入器械、机器人与先进治疗、康复信息等多个方向，国创中心搭建了近2万平方米的共性技术研发平台。

据赫家烨介绍，在国创中心，以光学技术为核心的医疗器械研究分为三个方向： 一是在体类光学成像仪器研究，比如内窥镜、眼科仪器、皮肤镜等；二是体外诊断领域，利用光学技术来做超灵敏单分子检测研究；三是医学影像类检测仪器研究，对一些离体的组织进行病理成像，用于辅助诊断。

谈到自研光学医疗器械，赫家烨说到最多的词是“ 科技 成果转化”。从技术革命的角度而言， 科技 成果转化确实是迫在眉睫。因为当下，全球范围内正在席卷新一轮 科技 革命和产业革命，迫切地需要把我国前沿技术从实验室带到产业应用上来。

据赫家烨介绍，目前这三个光学技术研究方向基本完成工程样机验证，后续将尽快与临床应用对接，有望在一年之内落地转化，实现产业化应用。

但科研成果走出实验室，拥抱产业化应用并非易事。赫家烨认为，目前在光学医疗器械方面的研发工作主要面临三个挑战：

首先是科研技术创新和临床需求不对等。 科研院所有很多高价值专利和技术，但无法转化应用于产业。产业需求方对于科研院所拥有什么样的核心技术也不了解。因此，当下的窘境是“一方有技术，一方需要技术，但他们没法精准衔接上。”

其次是不同医生对医疗器械有不同的具体需求，这对科研人员的要求是需要以一个学生的姿态从产业链上游“下放”到医疗机构，同医生深入探讨技术研发方向， 在最短时间内梳理和提炼出最具共性的临床需求，聚焦共性痛点提出针对性解决方案。

最后是在国产替代前提下， 一方面部分国产原件无法满足竞争性的指标要求。另一方面是国外产品部件又因疫情物流受限无法运到国内，导致研发进度受阻。 研发人员需要花不少精力去尝试哪些国产产品符合需求。赫家烨坦言，“这是一个漫长的寻求国产替代的过程，但意义重大。”

针对以上挑战，国创中心同样在不断发挥着承上启下的作用，旨在带动产业链上下游“动”起来。

具体来说，一方面国创中心积极梳理产业需求，并承担相应任务，若超过能力范围，则利用平台优势，帮助科研院所等技术方和产业需求方精准对接。

另一方面，自研医疗器械在项目立项以及进展的每个阶段，就建立了与临床医生的互动机制，将“实验室”设到医院去、设到病床边，确保医疗器械的研发以临床需求为源头，实实在在解决临床应用场景的痛点。

赫家烨进一步强调， “临床应用场景面对的是患者，科研人员需要考虑到医疗器械实用性、稳定性、成本等综合因素进行技术开发，以纯技术创新为源头去寻找临床出口行不通”。

独家专访

光学技术应用广泛 本土品牌快速崛起

近年来，光学技术在医疗器械领域的应用已呈现出强大功能。据赫家烨介绍，关于光学医疗器械的具体产品主要分为两类。

一种是以光学技术为核心的医疗仪器， 光学成像类仪器有手术显微镜、离体组织成像显微仪器、内窥镜、近红外光的脑成像仪器等；光学检测类仪器主要利用光学技术进行分子信号读取，比如核酸仪荧光PCR、测序仪以及一些单分子检测仪器等。

另一种是以光学技术为辅助的医疗器械， 比如当下火热的手术机器人，当中很重要的模块就是利用光学技术中的双目视觉来帮助医生精准定位病灶区域位置和方向，提高手术精度。另外还有传感类、可穿戴式监护类仪器等光学相关产品。

随着我国经济的不断发展以及生活水平的不断提高，人们对医疗保健的意识逐渐增强，因此对于医疗器械产品的需求也在不断地攀升，使得国内医疗器械市场表现突出。

截至2020年，中国医疗器械市场规模约为7341亿元，同比增长18.3%，接近全球医疗器械增速的4倍，维持在较高的增长水平， 预计未来5年，器械领域市场规模年均复合增长率约为14%，至2023年将突破万亿。

市场需求强劲的同时，政府也在不断发布政策推动医疗器械产业发展。2016年以来政策推出的进度显著加快，进一步规范市场、鼓励投资和 科技 创新。 这无疑为本土企业的加速成长注入一剂强心剂。

当前，行业中涌现出了一批优秀的企业，以联影、迈瑞医疗、乐普医疗、东软医疗等为代表的国内医疗器械企业越来越多的参与到全球竞争之中。

细分领域中的光学医疗器械也不乏一众佼佼者， 比如首创国内高速3D内窥OCT影像系统 的中科微光、内窥镜组件畅销海外市场的海泰新光、国产眼科医疗器械领跑者莫廷 以及具备高端显微镜生产能力的本土优秀企业永新光学、麦克奥迪、舜宇光学等。

赫家烨对此评价称，“这些注重研发投入的光学医疗器械本土企业已有一定的市场规模，且非常具有潜力，技术水平已经达到了很高的水准，研发水平也处在国际前沿。”

独家专访

创新水平“并跑” 产业实力“掉队”待解

光学医疗器械是典型的高新技术产业，最显著的特点是技术应用密集、学科交叉广泛。 历经多年培育，我国光学医疗器械产业和创新企业步入发展快车道，但仍存一些挑战待解。

据公开数据表明，欧美进口品牌占据了我国中高端医疗器械市场的80%。国外产品如呼吸机、高端X光CT、磁共振诊断仪、纤维内窥镜、手术机器人、体外膜肺氧合（ECMO）等高端医疗器械在国内占据我国三级医院的主要市场。甚至有些高端医疗器械的核心部件国内还不能生产，需要依赖进口。

本土产业研发水平和国际一流并跑，缘何产业发展没有跟上“步伐”？赫家烨认为，我国医疗器械高端领域冲出突围面临着多个制约因素，主要体现三个方面 ：

第一是国内外工艺和产业链差别导致研发成本不对等。他举例称，“如果开发一个内窥镜的前端光学探头，国外厂商可能短期内只需要几个人的团队就能完成，而国内要几十人的团队去深耕关键技术一到两年的时间，才有可能把这个小部件做到能够生产的程度。”

第二是本土厂商市场份额小，在经济条件受约束的条件下，创新意愿面临选择题：到底是投入更多资金去突破某项细分领域技术，只为拓宽产品线，还是只做一些技术门槛更低的光学医疗器械，只为可以尽快形成规模化产品投入市场？

“如果是处在成熟的产业链和技术体系中，相信本土厂商也会愿意去布局一些新赛道，攻关一些细分领域的新技术，因为这些研发成本是可以接受的。”赫家烨进一步分析称。

第三是本土光学医疗器械产业面临的挑战，不仅是能否实现国产替代，更重要的是实现国产替代后，能否保证产品成本和高水准的性能、用户体验等综合指标。

作为关系国计民生的重要战略产业，医疗器械高端市场被跨国企业垄断、关键核心技术受制于人的局面，亟待打破。近几年，国家和各地相关政策一直在为医疗器械的国产替代提供众多支持。

在2021年，国家财政部及工信部联合发布的《政府采购进口产品审核指导标准》（2021年版）的通知明确规定了政府机构（事业单位）采购国产医疗器械及仪器的比例要求，其中涉及到137种医疗器械全部要求100%采购国产等。

今年以来多省发布文件，进一步收紧政府采购进口产品“缺口”，推动光学医疗器械在内的国产医疗设备实现高速发展。

赫家烨对本土光学医疗器械的成长同样充满信心，“一方面，在强大的政策导向下，国产医疗器械将不断深入医疗机构，通过越来越多的用户体验后，加速技术创新和升级换代。另一方面，高端领域的光学成像探测器、光学检测芯片、光纤和激光器光源等方面已取得一定的自主创新成果，由点带面逐步突破核心部件依赖进口的被动局面指日可待。”

独家专访

结语

好风凭借力，赶超正当时！市场需求持续旺盛、国家多举措持续释放政策红利、前沿创新技术层出不穷……以光学为代表的医疗器械国产化替代来势汹涌。随着国产替代的深入展开，本土创新企业无疑会迎来发展的黄金期。