大學生創造出中國人自己的新一代顯微鏡。
大學生創造出中國人自己的新一代顯微鏡。
參賽師生秀出證件。
參賽師生秀出證件。
南京理工大學生勇奪金獎。
南京理工大學生勇奪金獎。

如何突破痛點,打破德日壟斷,創造出中國人自己的新一代顯微鏡?在第五屆「互聯網+」大學生創新創業比賽獲金獎的隊伍中,一支來自南京理工電光學院的學生團隊研製出的新一代無透鏡全息顯微鏡,將這一願景變為現實。

據瞭解,CyteLive是該團隊研發出的新一代無透鏡全息顯微鏡,不僅可以內置於培養箱,還是目前唯一能夠同時實現非染色、大視場、高分辨、長時間連續觀察的顯微鏡產品。

特點1無需任何染色標記

「由於細胞是無色透明的,所以通常需要將細胞染色標記再觀察。然而,這將損害甚至是殺死細胞,難以實現長時間連續觀測。」團隊負責人、電光學院博士研究生盧林芃說。團隊利用定量相位成像技術,使CyteLive可以在無需對細胞進行任何染色標記的前提下,實現長達數天的連續觀測,不僅細胞細節清晰可見,還能準確還原其三維影像,可謂「360度全方位無死角」。

特點2大視場+高解析度

再精良的顯微鏡頭,都受到「物鏡比例法則」的制約,即大視場和高解析度兩者不可兼得。CyteLive去除了複雜的機械調焦裝置,通過先進的計算成像演算法,把樣品聚焦圖像算出來,借助自適應超分辨成像技術,成像解析度可突破至像素尺寸的三分之一,沒有物鏡卻可以實現20倍物鏡的成像水平。

無透鏡成像技術造就了CyteLive超大的成像視場,單幅圖像高達一億像素,視場是傳統顯微鏡的200倍,可同時觀測10萬個血細胞。

特點3體積為傳統的0.8%

CyteLive拋棄了傳統顯微鏡的所有光學鏡頭,只保留了光源和感測器,實現了小型化、輕量化,而成本僅為同類產品百分之一。盧林芃用手托起CyteLive介紹道,「它的體積僅有傳統顯微鏡的0.8%,可直接放在細胞培養箱裡進行活細胞箱內觀察。」

在左超和周小虎兩位博士生導師的指導下,學生團隊有8名成員,其中6名來自電光學院,2名來自經管學院。要讓沒有透鏡的CyteLive把圖像「算」出來,對演算法設計提出了巨大挑戰。

為了解決成像中細胞周圍出現的衍射環對成像效果的影響,張翔宇在與左超老師的交流溝通中,花了2個多月,利用基於平均投影的原理優化了成像演算法,不但去除了衍射偽影,還進一步提高了成像解析度。

硬體結構看似簡單,細節卻處處講究。為了更好的成像質量,硬體系統對LED光源有針對性要求,「我們查閱了市場上在售的LED光源參數說明書,基本都沒提及相關參數。」于泓辰為了解決這個問題,採用「最笨」的辦法,買了絕大多數在售的LED燈珠,一個個點亮,再同團隊成員一起完成參數測試和成像對比,在進行了幾十次測試實驗後,找到了最合適的LED光源型號。

多方「大老」鼎力相助 「任何技術都不能僅停留在紙面上,一定要面向實際應用才能產生真正的價值!」這是團隊與學科帶頭人陳錢教授對實驗室的科研所提出的要求。在研究小組數年的不懈努力下,「無透鏡顯微成像」如今終於從概念成為現實。

專案受國家重點研發計畫、江蘇省重大基礎研究計畫、江蘇省重點研發計畫等一系列重大科研任務支撐,相關技術已發表高水準SCI論文30餘篇,並多次被SPIE Newsroom、OSA Image of the Week報導,獲國家發明專利37項,PCT國際專利11項。50餘名院士、期刊編輯、OSA/SPIE Fellow多次引用並正面評價。

已在多家醫院應用

從機械化、自動化,到資訊化,智慧化,是顯微鏡發展的大勢所趨、歷史必然。別看CyteLive體積小巧,內部卻蘊含諸如無透鏡相位恢復與像素超分辨等多項核心關鍵技術。CyteLive拋棄了透鏡,去除了機械調焦裝置,利用先進的計算成像演算法彌補了大陸在「精密光學加工」和「高精度機械控制」的短板,正在自主創新的路上彎道超車,打破國外的壟斷。

目前,CyteLive已應用於江蘇省人民醫院等多家醫院,解決了臨床疾病快速、準確檢測的難題。此外,多家知名醫藥公司也在CyteLive的技術支撐下,改善了癌細胞耐藥性監測過程、提高了高通量藥物篩選效率。團隊已與顯微鏡公司蘇州飛時曼合作,推出大陸第一台商業化數位全息顯微鏡,與顯微鏡龍頭企業──江南永新簽訂了戰略合作協定。

團隊表示:「我們堅信通過不懈努力,中國製造的高科技顯微鏡也能在世界大放異彩!」

#團隊 #機械