借助于一个造价仅1.5美元的数码照相机传感器,美国加州理工学院(Caltech)的科学家们研制出迄今为止最简单并且最低廉的无镜头显微镜。这种设备可以应用到很多领域,包括帮助发展中国家进行疾病诊断以及新药物的快速筛查工作。
对于工作熟练的技术人员来说,当前进行血样化验的最理想方式就是借助常规光学显微镜。但在世界上一些疟疾横行的地区,这种方式却变得不切实际。简易无镜头显微镜可以与智能手机或者掌上电脑相连,用于进行疾病的自动诊断;如果同时使用数十架或者数百架无镜头显微镜,还可进行癌症或者药物的快速筛查。
这种无镜头显微镜的简单程度引人注目。它采用一个被称之为微流体的微型通道系统,引导样本穿过光敏芯片,芯片会在样本穿过时快速而连续地拍摄照片。与以前的重复操作有所不同的是,无需进行其他任何操作。这种显微镜的早期版本采用针孔光圈以及一个电动驱动器,利用电场让细胞沿着固定方向移动。但在这款新设备身上,这一复杂操作过程已成为过去,这要归功于精妙的设计和更为精密的软件算法。样本因压力的微小差异穿过通道,从芯片的一端到另一端。
这款设备的打造者将其称之为亚像素解析光流体显微镜,简称SROFM。康奈尔大学微流体学专家大卫·埃里克森(David Erickson)表示:“它的优势在于比此前的方式更简单。”
在穿过微流体通道时,细胞会上下翻滚。它们的这种行为成为这款新设备在拍摄照片和视频方面的一大优势。例如,通过从每个角度为细胞成像,医生可以确定它们的体积,进而有助于寻找癌细胞。SROFM的实验室负责人杨昌辉(Changhuei Yang,音译)表示,这也就意味着不必预先将血样等样本放在载玻片上。
最近一篇有关SROFM的研究论文刊登在《芯片实验室》(Lab on a Chip)杂志上。论文第一作者郑国安(Guoan Zheng,音译)称,SROFM当前的解析度为0.75微米,与20倍放大倍率的光学显微镜不相上下。
传感器每一侧的像素尺寸为3.2微米。借助于一种“超级解析度”算法,多幅照片可以组合在一起(每一幅高清晰度照片由50幅照片构成),进而创建一幅解析度增强照片-就好像屏幕具有0.32微米的像素。然而,超级解析度技术只能区分被至少一个像素分开的特征,意味着最后的解析度至少是像素尺寸的两倍。这也就是为什么0.32微米像素尺寸只能产生0.75微米的解析度。
郑国安研发的技术只利用芯片的一小部分,这允许他在每秒300帧这一相对较高的帧速情况下拍摄细胞,能够生成每秒6帧的超级解析度细胞影像。
参与这一项目的另一位研究员李承雅(Seung Ah Lee)表示,利用解析度更高的CMOS传感器,他们可以获得更高的解析度。李承雅希望能够获得相当于40倍放大倍率的解析度,如此一来,这项技术便可通过自动识别异常血细胞的方式诊断疟疾。
目前,加州大学洛杉矶分校教授埃道甘·奥兹坎(Aydogan Ozcan)正在研究一种与之相竞争的方式。他指出郑国安所做的工作是光流体显微镜学研究领域取得的一项颇有价值的进步,该系统更简单,获得的解析度更高,与此前的显微镜相比操作也更为简单。但奥兹坎同时也指出这项技术存在局限性。
他表示微流体通道必须非常小,这也就意味着这种方式无法应用在体积差异较大的微粒上,此外,通道在制造上必须允许最大的微粒通过。奥兹坎自己研制的无镜头显微镜并不采用微流体通道,而是通过解译LED灯照射产生的干涉图拍摄样本的“全息图”。这种方式并没有类似的局限性。
奥兹坎说:“在我看来,这些方式应该是相互补充的。”他的终极目标是为发展中国家研制出造价低廉并且基于手机的医疗诊断工具。
好货也便宜:1.5美元的无镜头显微镜
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