华裔博士《PNAS》将科幻变现实

　　

 

生物通报道：来自美国加州理工学院电子工程与生物工程与系，生物学学院，瑞士洛桑理工学院（Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne，生物通注）的研究人员将科幻小说里的内容变成了现实——研制出了一种超压缩（super-compact），高分辨率的显微镜，这种显微镜小到能放置在一根手指上，被称为“显微镜中的显微镜”（microscope）。这项研究成果公布在《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志上。

领导这一研究的是加州理工学院电子工程与生物工程系副教授杨长辉（Changhuei Yang，音译），今年一月，他与麻省理工等处的研究人员开发出了一种能够看穿人体的新方法。这种方法，即光相位结合混乱抑制（turbidity suppression by optical phase conjugation，简称TSOPC）可以应用于生物医学，比如将高度聚焦的光束瞄准已吸收了光敏细胞杀灭物质的癌细胞，当光线击中细胞时，这些物质就会被激活，从而消灭癌细胞。

现在研究人员又开发了这样一种新显微镜，这种显微镜不需要透镜就可以放大一种高质量光学显微镜的功能，可用于分析疟疾血样品，或者检查蓝氏贾第虫（Giardia）和其它病原菌的水来源，而且制作费用只在10美元左右，可以大批量生产。

Yang表示，“这整个设备确实很紧凑——能放置在手机中，而且只需要太阳光照明，因此十分适合于第三世界的研究人员使用。”

这个新装置将传统的计算机芯片技术与微流控（microfluidics）技术相结合，整个微流控光学(optofluidics) 显微镜只有大约一个25美分硬币那么大，其中设备的影像部分与硬币上华盛顿的鼻子一样大。

“我们的研究是考虑到显微镜自17世纪就发明出来了，但是其基本的设计却没有发生多大的改动，而且不够小型化，我们这一新的设计从不同的原理入手，淘汰了透镜，及其它庞大的光学元件”，Yang说。

这个显微镜芯片设备构造得巧妙简单：在电荷耦合器件（Charge Coupled Device 即CCD）感应器（与数码相机中使用的感应器是一样的）覆盖上一层金属，然后将在这层金属上打上一排小孔，直径小于百万分之一米，再环绕上五个千分尺（micrometers）。每个小孔对应于感应器上的一个像素，包裹上样品的液体可以从微流槽中流过，到达金属和感应器的顶端，整个新芯片需要阳光从顶部照射下去。

当添加了样品后，包裹了样品的液体就会开始流动——通过样品本身的重量或者通过电荷，水平的流过金属的那一排小孔，当细胞或者微小的生物覆盖在一个又一个的小孔上时，就会遮盖下方感应器上的光线，从而由针孔相机拍摄到一系列的影像，包括光影像和阴影。

由于这些小孔有些倾斜，所以在流动的方向上产生了一个对角线，影像有少许的重叠，将这些重叠的影像汇总在一起，就能获得这一物体的精确二维图像。

目前Yang正与有关生物技术公司探讨大批量生产这种芯片，扩大其使用范围，比如说，农村地区的医务工作者可以利用这种设备检测疟疾样品等，研究人员崔西全（Xiquan Cui，音译）说，“我们能将在一个芯片上装上成百，成千的微流控光学显微镜，从而可以同时影像和分析许多生物。”

将来这种显微镜芯片还可以与其它设备整合，植入到人体中去，“植入显微镜分析系统能自主的筛选和分辩循环系统中的癌症细胞，从而获得重要的诊断信息，帮助阻止癌症的散播”，Yang说。

原文摘要：
Published online before print July 28, 2008, doi: 10.1073/pnas.0804612105
Lensless high-resolution on-chip optofluidic microscopes for Caenorhabditis elegans and cell imaging
[Abstract]

注：

1.微流控光学(optofluidics)

通过融合微流控学和光学、光电子学技术合成新颖的功能器件和系统，微流控光学系统的主要特点在于结构的可调化、功能的集成化和系统的微型化。结构可调性为自适应光学提供了新的技术途径，光学检测与微流分析功能的集成将促进微型全分析系统技术的应用和发展，光学与微流控技术的融合则为传统光学器件的可调化和微型化提供了可能。