如何将智能手机变成荧光显微镜

据外媒报道,国外研究人员已经开发出一种将智能手机转换为荧光显微镜的方法,新型的手持式智能电子荧光显微镜(HSFM)设备可以快速、低成本地进行复杂的生物医学分析。

  据外媒报道,国外研究人员已经开发出一种将智能手机转换为荧光显微镜的方法,新型的手持式智能电子荧光显微镜(HSFM)设备可以快速、低成本地进行复杂的生物医学分析。而传统的荧光显微镜虽然在检测多种细胞和蛋白质方面发挥着重要作用,但它们体积庞大且不便于进行即时诊断。


为智能手机制作不同的镜头

便携式显微镜是智能手机平台发展的重要一环

  日前,一个跨学科的研究团队研发了使用液体聚合物制造可用有色溶剂染色的微型双滴透镜,这些镜头可兼容多种不同的智能手机相机。低成本的实验装置使他们能够观察和计数细胞,监测荧光标记基因的表达并区分正常组织和肿瘤;易于使用且价格合理的智能手机技术可以促进节俭科学,并可以更好地管理现场和经济上可行的个性化医疗。

  荧光显微镜在多个学科中无处不在,包括细胞和分子生物学、医疗保健行业、环境监测和食品卫生。在生物医学和临床应用中,荧光成像可以高灵敏度和高精度地检测和跟踪细胞、蛋白质和其他感兴趣的分子。常规荧光显微镜通常设计有庞大的组件,这使得它们在资源有限的区域中对于即时诊断极具挑战性。因此,便携式显微镜是理想智能手机平台上的重要发展,可用于移动和访问各种用户。

  研究人员之前曾使用基于智能手机的显微镜对人体血细胞、水传播寄生虫和人巨细胞病毒进行成像。对于这些研究工作,他们进行了关键元素元件的研发,例如用于照明的发光二极管(LED)、用于光学成像和放大的外部透镜以及用于路由光的荧光发射滤光。聚合物镜片易于开发,并提供高分辨率,可为资源有限的应用构建“自己动手”的显微镜。然而,由于目前可用的智能手机型号多种多样,因此研究人员的目标是开发一种基于智能手机的显微镜附件,其设计独立于特定的手机型号。

低成本手持式智能荧光显微镜(HFSM)

  为了解决当前工作中的这一挑战,研究人员就开发出便携式尺寸的低成本手持式智能荧光显微镜(HFSM)。HRSM使用一个紧凑的多功能彩色镜头将任何智能手机型号转换为荧光显微镜,而无需修改手机之间的附件设计。实验设计降低了HRFM设备的复杂性,并允许其在各种智能手机中采用。该产品在多个智能手机平台上功能一致、易于操作、成本低、并且可以批量生产。

  研究人员开发的HFSM模块,包括用于成像和滤光的彩色复合透镜。研究人员使用两个高折射率液滴开发了微型镜头,一个在另一个内部用有色溶剂染色,以将所需的发射光传输到成像传感器。研究人员在研究中开发了两种模型:(1)从手机背面伸出(模型I);(2)用手机(模型II)保持轮廓。对于这两种版本,它们包括具有着色聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物和甲基苯基聚合物(乙烯基封端的二甲基二苯基硅氧烷)的镜片设计。为了确定聚合物液滴在制造过程中如何扩散,研究人员计算了液滴的半径和毛细管长度。

  他们首先在界面张力的影响下测试并检测到PDMS液滴形成球形帽并考虑了几个因素来确定PDMS帽的内部和外部曲率。此后,当他们为智能手机配备由3.2μL聚合物液滴制成的镜头时,相机可以分辨出2.76μm线。由于液态聚合物液滴完全密封在稳定和固化的PDMS盖内,研究团队避免了在使用过程中与外部机械振动和化学变质相关的问题。他们将镜头作为智能手机的一部分粘贴在相机上,方便携带,并可以从相机上剥下镜头,用不同的定制镜头取代镜头进行成像。

使用HSFM进行细胞观察和细胞计数_副本.jpg

使用HSFM进行细胞观察和细胞计数

  研究团队在显微成像过程中进一步开发并采用定制照明工具,在白光照射下观察和计数细胞。使用该装置,他们以小簇的形式观察了立方体和纺锤形细胞聚集体。在细胞计数实验期间,研究人员清楚地区分单个细胞并计算细胞浓度,这与从商业细胞计数器获得的结果非常一致。此后,科学家们用荧光标记的抗体培养人体肝脏组织,使用配备绿色镜片的HSFM检测正常或有缺陷的特征。使用智能手机显微镜,研究人员准确识别正常组织、癌旁组织和癌组织的图像。

  通过这种方式,该研究团队使用基于镜头的智能手机为荧光显微镜提供了一个紧凑、经济的平台。该设置以细胞分辨率捕获图像,并在组织范围内捕获视野(FOV),其功能依赖于智能手机内的像素和图像传感器尺寸。当前,研究人员相信观察到的应用程序仅仅是冰山一角,未来HSFM设备应用的潜力更大。他们希望开发出用于额外荧光通道的彩色复合透镜,以显着提高经济型显微镜的性能,他们设想在医疗场所大规模生产用于移动和定制医疗保健应用的低成本、简单的HFSM设备。

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