指尖上的三維熒光顯微鏡無透鏡超薄超輕

近日，美國萊斯大學(xué)的工程師們開發(fā)出一款無透鏡、寬視場、超薄的熒光顯微鏡“FlatScope”。其厚度比信用卡更薄，小到足以放在指尖上。它可以生成高幀頻、分辨率達(dá)微米級(jí)的三維熒光圖像，可應(yīng)用于內(nèi)窺鏡、大面積成像儀、柔性顯微鏡等方面。

顯微鏡，通常是由一個(gè)或幾個(gè)透鏡的組合構(gòu)成的一種光學(xué)儀器，主要用于放大人的肉眼無法觀察的微小物體，使之對(duì)于肉眼可見。這一發(fā)明標(biāo)志著人類進(jìn)入了微觀的原子時(shí)代。

在生物學(xué)中，傳統(tǒng)的熒光顯微鏡是一種必不可少的工具。嵌入細(xì)胞或者組織中的顆粒被特定波長的光線照射，研究人員會(huì)采集來自這些粒子的熒光信號(hào)。這項(xiàng)技術(shù)讓科學(xué)家們們能以納米級(jí)的分辨率，探索和追蹤生物制劑。

但是，熒光顯微鏡與所有的傳統(tǒng)顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡和攝像頭一樣，分辨率由透鏡尺寸決定，所以往往會(huì)又大又重，從而限制了在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

此外，傳統(tǒng)顯微鏡的透鏡陣列架構(gòu)還存在一個(gè)弊端：隨著透鏡變小，它要么采集更少的光線，要么將成像的視場變小。

這項(xiàng)研究開始是作為美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）研究可植入的、高分辨率神經(jīng)接口計(jì)劃的一部分。這種寬視場的顯微鏡，厚度比信用卡更薄，小到足以放到指尖上。它可以生成高幀頻、分辨率達(dá)微米級(jí)的三維熒光圖像，三維圖像的總體積能覆蓋幾立方毫米。

下圖是萊斯大學(xué)的研究生Vivek Boominathan（左）和Jesse Adams正在搭建平面顯微鏡的實(shí)驗(yàn)。這款無透鏡的平面攝像頭可作為熒光顯微鏡，它能用于捕捉三維數(shù)據(jù)，并從視場中任何地方的物體構(gòu)建圖像。

算法可聚焦顯微鏡捕捉到的三維數(shù)據(jù)的任何部分，從而生成視場內(nèi)物體的微米級(jí)細(xì)節(jié)鏡像。

Robinson 表示，這么高的分辨率讓該設(shè)備成為了顯微鏡。他說：“你手機(jī)或者數(shù)碼單鏡反光相機(jī)中的攝像頭可以達(dá)到百微米級(jí)的分辨率。當(dāng)你拍攝一張宏觀照片時(shí)，分辨率約為20到50微米。我將顯微鏡看成一種讓你在微米尺度成像的設(shè)備。這意味著比頭發(fā)絲直徑更小的物體，例如細(xì)胞、細(xì)胞的組成部分或者精細(xì)的纖維結(jié)構(gòu)。”

實(shí)現(xiàn)這種分辨率需要修改 FlatCam 的掩模，進(jìn)一步削減到達(dá)傳感器的光線量，并重寫軟件。Robinson表示：“這并不是毫無意義地將FlatCam 的算法，簡單地應(yīng)用到我們用于成像遠(yuǎn)處物體的同樣的技術(shù)中?！?span style="text-indent: 2em;">掩模類似透鏡照相機(jī)的光圈（光圈是一個(gè)用來控制光線透過透鏡，進(jìn)入機(jī)身內(nèi)感光面光量的裝置），但是它距離傳感器只有幾百微米，并只允許部分光線通過，限制了數(shù)據(jù)量，從而簡化處理過程。

Robinson 說：“在一個(gè)百萬像素的攝像頭中，計(jì)算問題需要一百萬乘以一百萬個(gè)矩陣元素。這是一個(gè)非常龐大的矩陣。但是因?yàn)槲覀兺ㄟ^行和列的模式將其分解，我們的矩陣只有一百萬個(gè)元素?！?span style="text-indent: 2em;">將數(shù)據(jù)從600萬兆字節(jié)削減至更實(shí)用的21兆字節(jié)，這意味著處理時(shí)間的縮短。早期的 FlatCam 版本需要一個(gè)小時(shí)甚至更多的時(shí)間來處理圖像，而現(xiàn)在的 FlatScope平面顯微鏡捕捉三維數(shù)據(jù)的速度可達(dá)到每秒30幀。

Veeraraghavan 表示，物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展將為平面攝像頭和顯微鏡帶來許多應(yīng)用。這反過來又會(huì)降低成本。他說：“與傳統(tǒng)的攝像頭相比，這個(gè)技術(shù)一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)就是，因?yàn)槲覀儾恍枰哥R，所以不需要制造后組裝?？梢韵胝f，該產(chǎn)品可以從生產(chǎn)線上不斷地生產(chǎn)出來。”

從Veeraraghavan的表述中，不難發(fā)現(xiàn)，在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大潮中，F(xiàn)latScope 及其關(guān)聯(lián)技術(shù)將有著廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)由于市場前景好，所以成本也有望降低，另外它在生產(chǎn)制造方面較傳統(tǒng)產(chǎn)品也有優(yōu)勢。

從用途來看，它的應(yīng)用場景可包括：臨床用可植入內(nèi)窺鏡、戰(zhàn)場用的手掌大小的顯微鏡、大面積成像儀、柔性顯微鏡等。研究人員指出，目前他們的工作主要集中在熒光應(yīng)用，F(xiàn)latScope 也可用于明視場，暗視場和反射光顯微鏡。