imec 獲得 ERC 資助以開發(fā)新型熒光顯微鏡；歐盟資助的新項(xiàng)目以“超級(jí)細(xì)菌”為目標(biāo)。用于高通量熒光成像的芯片級(jí)顯微鏡

片上熒光顯微鏡的概念；在光子電路中產(chǎn)生照明點(diǎn)。

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傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡在研究細(xì)胞和微生物方面發(fā)揮了重要作用。熒光顯微鏡通過選擇性地將熒光標(biāo)記添加到分子中，使更小細(xì)胞特征的可視化成為可能。

但是熒光顯微鏡通常是笨重且昂貴的系統(tǒng)，需要定期維護(hù)以保持鏡頭對(duì)齊。為了讓科學(xué)家看到更多細(xì)節(jié)，需要更大的光學(xué)元件，但這會(huì)導(dǎo)致視野縮小。

芯片技術(shù)提供了不同的觀點(diǎn)：芯片結(jié)構(gòu)緊湊，可以集成多種功能。比利時(shí)納米技術(shù)和光子學(xué)研究中心imec的一個(gè)研究小組表示，這種擴(kuò)展的可能性可以使芯片顯微鏡的生產(chǎn)成本僅為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的一小部分。

imec 的首席科學(xué)家 Niels Verellen 已獲得ERC 啟動(dòng)資助，用于設(shè)計(jì)具有可擴(kuò)展視野的高分辨率片上顯微鏡。在五年項(xiàng)目的中途，他剛剛在 imec 網(wǎng)站上描述了早期的成功和仍然存在的挑戰(zhàn)。

無透鏡熒光顯微鏡

為了縮小顯微鏡的尺寸，Verellen 的團(tuán)隊(duì)移除了標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡的關(guān)鍵部分：鏡頭。光學(xué)顯微鏡存在無鏡頭選項(xiàng)，觀察者直接觀察散射光。

imec 的 Niels Verellen

例如，imec 的無透鏡顯微鏡使用激發(fā)光的干涉圖案以全息方式重建圖像。這些解決方案不適用于熒光顯微鏡，因?yàn)?a href="/products/microscope/fm/" title="熒光" target="_blank" >熒光不相干，這意味著激發(fā)光和熒光發(fā)射之間沒有時(shí)間-距離關(guān)系。

Verellen 評(píng)論道：“ERC 項(xiàng)目的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有無透鏡光學(xué)顯微鏡相同的優(yōu)勢(shì)，即熒光顯微鏡具有體積小、可擴(kuò)展性、大視場(chǎng)和高分辨率等優(yōu)點(diǎn)。我們顯微鏡的工作原理類似于傳統(tǒng)的共聚焦激光掃描熒光顯微鏡。

“無透鏡顯微鏡包含一個(gè)圖像傳感器——一個(gè)像素陣列，頂部有一個(gè)集成光子電路，由波導(dǎo)和相位調(diào)制器組成，形成聚焦的照明點(diǎn)。與傳統(tǒng)上使用一個(gè)焦點(diǎn)操作的共聚焦顯微鏡不同，我們可以同時(shí)生成和掃描多個(gè)點(diǎn)?！?/p>

該芯片提供了傳統(tǒng)顯微鏡的高通量替代方案，尤其適用于與測(cè)序相關(guān)的應(yīng)用?！拔覀冎荒茉跇悠繁砻鏈y(cè)量，在大約 100nm 深的波導(dǎo)中全內(nèi)反射光的消逝場(chǎng)內(nèi)。除了成像膜蛋白，我們認(rèn)為 DNA 測(cè)序是與我們的概念最相關(guān)的應(yīng)用，”Verellen 說。

與共聚焦顯微鏡相比，基于芯片的方法的另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是其相對(duì)較低的成本?！耙慌_(tái)共聚焦顯微鏡的成本超過 100,000 歐元，并且可以掃描帶有有限數(shù)量的 DNA 片段或其他分子的孔板，”Verellen 說?！癐mec 的片上顯微鏡實(shí)現(xiàn)了相同的分辨率，但您可以將十個(gè)芯片并排放置在一張桌子上，而成本和占地面積只是其中的一小部分，而且不需要昂貴的對(duì)齊維護(hù)?！?/p>

干涉圖案可以被精確控制以形成照明點(diǎn)

光點(diǎn)圖案

光子芯片中的基本組件是用于引導(dǎo)和塑造樣品照明光的波導(dǎo)。干涉圖案可以使用激光的波特性產(chǎn)生。因此，在組合波相互增強(qiáng)的區(qū)域中出現(xiàn)了一個(gè)光點(diǎn)。

“要生成所需的模式，對(duì)干擾波的精確控制至關(guān)重要。我們成功地建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，該模型在光子芯片上用有限數(shù)量的組件實(shí)現(xiàn)了這種模式，”Verellen 說。

其中一項(xiàng)主要?jiǎng)?chuàng)新是將這一理論模型轉(zhuǎn)化為允許成像的芯片架構(gòu)。為此，該團(tuán)隊(duì)必須優(yōu)化、重新設(shè)計(jì)電路中的所有光學(xué)元件并降低其風(fēng)險(xiǎn)。測(cè)試芯片（沒有成像器）的初步結(jié)果表明，可以很好地控制和調(diào)制干涉圖案。

“到目前為止，這些組件都是單獨(dú)設(shè)計(jì)和測(cè)試的。然而，我們期待成像儀上的第一個(gè)光子電路走出潔凈室，”Verellen 說?！斑@些芯片將是第一個(gè)可以展示整個(gè)成像概念的概念驗(yàn)證設(shè)備。“與此同時(shí)，我們已經(jīng)在尋找擴(kuò)大到 1cm?2量級(jí)的更大視場(chǎng)的方法。我們正在開發(fā)幾種定制的無源和有源光路組件，以高效、快速地塑造和調(diào)制光?！?/p>

歐共體授予衛(wèi)生財(cái)團(tuán) 560 萬歐元

專注于“超級(jí)細(xì)菌”的新顯微鏡

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在一個(gè)新的歐洲項(xiàng)目中合作的科學(xué)家們正在開發(fā)一種新的超分辨率顯微鏡，該顯微鏡將使用激光來研究“超級(jí)細(xì)菌”（如肺炎鏈球菌）的內(nèi)部運(yùn)作和行為，以獲得關(guān)于它們?nèi)绾我鸺膊〉男乱娊狻Ｗ鳛榧?xì)菌性肺炎、腦膜炎和敗血癥的主要原因，肺炎鏈球菌估計(jì)僅在 2015 年就在全球造成約 335,000 名 5 歲以下兒童死亡。

當(dāng)前的技術(shù)不允許對(duì)影響疾病發(fā)展的細(xì)菌特性進(jìn)行徹底研究的解決方案。但現(xiàn)在，這種超分辨率顯微鏡將使用激光以極高的分辨率照亮蛋白質(zhì)，讓科學(xué)家們獲得新的見解。

該項(xiàng)目被稱為“了解細(xì)菌毒力和侵襲性的納米級(jí)可視化”（簡稱 NanoVIB），有望揭示超級(jí)細(xì)菌如何引起疾病，從而為開發(fā)治療細(xì)菌感染的新型抗菌藥物提供基礎(chǔ)。

歐盟委員會(huì)已通過 Photonics Public Private Partnership 向該健康財(cái)團(tuán)撥款 560 萬歐元，用于建造這種超分辨率顯微鏡。該項(xiàng)目將持續(xù)到 2024 年，包括來自三個(gè)國家的六個(gè)合作伙??伴：Kungliga Tekniska Hoegskolan（KTH）、協(xié)調(diào)員和卡羅林斯卡學(xué)院（瑞典）；Institut für Nanophotonik、Abberior Instruments 和 Angewandte Physik und Elektronik（德國）；和 Pi 成像技術(shù)（瑞士）。

十倍分辨率

項(xiàng)目協(xié)調(diào)員 Jerker Widengren 教授評(píng)論說：“我們希望我們的新顯微鏡原型能夠成為下一代超分辨率系統(tǒng)，從而能夠以比使用熒光發(fā)射器（熒光團(tuán)）高 10 倍的分辨率對(duì)標(biāo)記有熒光發(fā)射器（熒光團(tuán)）的細(xì)胞蛋白進(jìn)行成像。任何其他熒光顯微鏡技術(shù)。

他補(bǔ)充說：“使用激光，這種新的顯微鏡將顯示細(xì)菌蛋白質(zhì)如何定位于細(xì)菌表面，使科學(xué)家能夠研究病原體與免疫細(xì)胞和宿主細(xì)胞的相互作用。它基于 Miniflux 概念工作，其中紅外激光以三角方式激發(fā)熒光團(tuán)標(biāo)記的分子，從而提高分辨率?！?/p>