受眼球“漂浮物”启发的无透镜芯片显微镜

为实现监测癌症和诊断疟疾的 iPhone 大小工具而努力

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研究人员希望一种新型的小型便携式显微镜可以使卫生工作者能够快速、廉价地扫描血液中的肿瘤细胞和危及生命的寄生虫。

这种显微镜的独特之处在于它扫描物体的方式不使用透镜,而且它的灵感来源于一种通常会模糊视力而不是改善视力的现象。

来自加州理工学院 (Caltech) 的一个团队已经证明,类似于数码相机中使用的光敏微芯片可以生成微小珠子和大约一毫米长的高分辨率图像

他们在《美国国家科学院院刊》上撰文指出,无透镜显微镜原型机的分辨率可达约 0.8 至 0.9 微米,即千分之一毫米。(一毫米等于 0.04 英寸。)这足以发现 15 至 30 微米的癌细胞。

其工作原理如下:科学家将光照射到流过狭窄通道的液体样本上。通道下方是一系列 3 微米宽的孔,这些孔穿过一层诸如金或铝之类的金属。光线穿过孔,照射到布满一系列传感器像素的半导体芯片上。加州理工学院的生物工程师兼研究负责人杨长辉(音译)说,这种芯片的成本约为每个 10 美元。

漂浮在孔上的物体会阻挡像素接收到的一些入射光,这些像素根据多个孔的光强度变化重建物体的图像。

杨说他的灵感来自“漂浮物”,即眼睛中死细胞和其他碎片的团块,有时在盯着蓝天或其他均匀光源时可以看到。他说,漂浮物在老年人和一些眼病(例如近视)中更常见。

通常,我们看到物体是因为眼睛的晶状体将图像聚焦在视网膜上,通常借助矫正镜片。但是漂浮物正好漂浮在视网膜上方,我们可以直接看到它们。

传统的显微镜使用透镜来放大微观特征以供眼睛观察,但是透镜难以做得足够小,以便在便携式手持设备中使用或同时扫描大量的生物样品,这将有助于研究。

杨说,有了基于芯片的显微镜,“就不会有透镜损坏”。“临床医生可以将其放在他的后口袋里。”

他说他认为这项技术是坚固耐用的 iPod 大小扫描仪的基础,该扫描仪能够快速诊断导致疟疾和昏睡病(人类非洲锥虫病)的血寄生虫的存在,这两种疾病在撒哈拉以南非洲地区都很流行。

另一个可能的应用是扫描癌症患者的血液,以寻找在体内循环并可能在其他器官中扎根的癌细胞,这种现象被称为转移,通常预示着不良预后。

南加州大学凯克医学院的病理学家理查德·科特说,目前,此类细胞可以在膜上收集,但是将细胞转移到显微镜载玻片上相对复杂且昂贵。他并非加州理工学院团队的成员,但正在与杨合作开发一种基于芯片的系统以直接探测这些样本。

他说,微米分辨率足以完成基本任务,例如计算潜在危险癌细胞的数量。他说,无透镜显微镜“实际上是一种更广泛地传播这项技术的方法”。

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