2021 年 7 月 5 日,荷蘭埃因霍溫, imec 研究人員開發的熒光顯微鏡將能夠實現高通量和高分辨率,而無需透鏡組件。該技術可以顯著加快下一代 DNA 測序和細胞研究,并實現更大規模的研究。


imec 首席科學家 Niels Verellen 表示,研究人員在使用普通熒光顯微鏡時面臨的部分問題源于鏡頭的某些局限性。隨著放大倍數的增加,吞吐量 - 或視野 - 會減少。


研究人員研制出無透鏡熒光顯微鏡,將加快下一代 DNA 測序和細胞研究

可以精確控制光場的干涉圖案以形成照明點,由 Niels Verellen/imec 提供


“我們正在尋找一種在不影響分辨率的情況下進行高通量熒光顯微鏡檢查的方法,”Verellen 告訴 Photonics Media。


傳統上,無透鏡成像技術使用相干光來執行全息重建。使用熒光顯微鏡,沒有相干性。


Verellen 和他的團隊使用科學 CMOS 成像器,類似于在寬視場熒光顯微鏡中發現的成像器,作為構建新設備的基礎。光源耦合到芯片。


“整個概念的主要挑戰在于在我們用于激發的芯片中產生光場,”他說。


研究人員研制出無透鏡熒光顯微鏡,將加快下一代 DNA 測序和細胞研究

Imec 首席科學家 Niels Verellen,由 imec 提供


該設備的主要工作原理是產生具有多個焦點的光場,從而實現顯微鏡的高通量。


Verellen 說:“我們希望大面積的電網具有大的吞吐量?!?“這些光點之間的間距需要足夠大才能完成這項工作?!?


他和他的團隊創建了一個新的數學模型來生成光場。


“這根本不是一件小事,”他解釋說:“非常簡單地說,素數在這個故事中發揮作用,所以素數分解為我們提供了如何生成這些模式的解決方案?!?


該團隊著眼于實現至少 200 nm 的焦點,這是傳統熒光顯微鏡達到其極限的地方。根據其計算,100 到 200 nm 是在可能的范圍內。


“我們的目標是 100 nm,但我們可能更接近 200 nm,”Verellen 說。


在解釋這項技術的結構和功能時,Verellen 說:“我們擁有的是一層可以引導光的材料,在該材料的表面上有一小部分漏出的光。我們使用該光激發樣品中的熒光標記。我們的魔力在于在波導層中以這樣一種方式構建光,即我們制作一個焦點網格,從而可以重建高分辨率圖像。所以我們不需要鏡頭,因為最終集成光子電路在顯微鏡中扮演鏡頭的角色?!?


此外,沒有復雜和笨重的光學器件和物鏡,該設備變得非常小。


“我一直在想的一件事是,你想想生物實驗室,你正在研究一些細胞相互作用,或者你觀察新藥的細胞吸收,看看它如何影響這些細胞——你需要統計數據,”維倫說:“因此,一次測量是不夠的,因此理想情況下,您希望重復此操作并改變參數。因此,如果您有一臺顯微鏡,可能需要很長時間才能到達那里。


現在,如果以與一臺顯微鏡相同的成本,將 10 個小型芯片級設備放在同一張桌子上,占用相同數量的實驗室空間,那么您將極大地提高吞吐量。你可以開始考慮設置不同類型的實驗。由于時間/吞吐量限制,最初您無法調查的事情變得可能,變得可行。


部分研究發表在《物理評論快報》上。



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