口袋裡的實驗室 智能手機將實驗科學帶到野外、教室和診所

研究人員藉助柯迪風箏綁著智能手機拍下的法國波利尼西亞的海岸線照片。圖片來源：E. Reynaud

隨著夏季的到來，美國東岸進入假期：海灘、野餐，當然還有蚊子。弗吉尼亞州的威廉王子縣也不例外。該縣官員一直在設置陷阱收集蚊子，並研究其致病性。

通常，這些蚊子實驗包括將它們帶回實驗室，分析其攜帶的病原體核苷酸信號，這一過程需要數天。但去年9月，Joseph Russell能夠利用車上的空調設備獲得相同數據。而這多虧了他的智能手機和掌上儀器two3。

two3由一個手機軟體控制，能同時檢測提取自2個序列目標的3個核苷酸提取物中的1個。而且，人們只需要打開頂蓋，放入樣品試管，按壓開關即可。「當我收集好下一個地點的蚊子時，我就知道了前一個取 樣點的結果。」馬里蘭州MRIGlobal的博士後Russell說。

Russell只是其中一個縮影。目前，隨著行動電話功能的日益強大，越來越多的研究人員正將實驗從實驗室轉移到田間。

加州大學洛杉磯分校電器和生物學工程師Aydogan Ozcan表示，結合了計算機、攝像機、全球定位系統、網路、感測器和電池，智能手機就像「瑞士軍刀」，幾乎擁有「十八般武藝」。Ozcan利用10年時間，將手機變成一個功能強大的顯微鏡和生物感測器。

而且，隨著數十億計的通訊設備和蜂窩網路的覆蓋，以及數據傳輸速度的不斷提高，研究人員正在利用手機把他們的科學研究帶到更遠的地方。目前，智能手機被廣泛用於科學和醫學用途。

Ozcan的團隊目前正在開發更精確和敏感的成像器，能用於成像個體病毒和DNA分子。康奈爾大學機械工程師David Erickson和營養學家Saurabh Mehta已經開發出一個名為NutriPhone的手機系統，用於檢測患者血液中的維生素B12和鐵等微量元素。

目前，甚至還有基於手機的DNA測序儀。英國牛津納米孔技術公司宣布，今年年底有望推出一台名為SmidgION的商業設備。1月，瑞典斯德哥爾摩大學的Mats Nilsson展示了一個3D列印的智能手機連接物，能用於檢測DNA突變。

大眾診斷

或許在發展中國家，智能手機的顛覆性潛力是最明顯的。在「資源匱乏」的環境中，專門人才和實驗室設備也同樣緊缺。電力、清潔水等重要基礎設施也不可靠。但蜂窩網路能提供某些幫助。

2014年，加拿大多倫多綜合醫院熱帶醫學專家 Isaac Bogoch一直在象牙海岸鄉村地區研究血吸蟲病。他提到，在象牙海岸，血吸蟲病是地方性疾病，但易於診斷和治療，前提是醫護人員能有和會用顯微鏡。不過，通常他們不能。

為了突破困境，Bogoch和同事將智能手機改造成一部攜帶型顯微鏡，並教給當地技術員如何使用其檢驗潛在患者的尿液和糞便。「與將患者或樣本轉移到遙遠的實驗室不同，我們可以將實驗室帶給人們。」他說。

據悉，Bogoch等人用雙面膠將直徑3毫米的球狀透鏡與手機的後置攝像頭連接固定。在測試中，科研人員用該顯微鏡觀測了200份糞便樣本，從而發現樣本中不同類型的寄生蟲。結果顯示，用智能手機改裝的顯微鏡達到了常規顯微鏡精準度的70%。

此外，芬蘭赫爾辛基大學分子醫學研究室主任Johan Lundin等人利用手機部件開發出的自動熒光滑動掃描儀，也可用於診斷血吸蟲感染。他們最近在坦尚尼亞進行了測試。

Lundin表示，儘管參與實驗的學校沒有電，但野外收集的圖片能上傳到赫爾辛基大學的伺服器上。

而Bogoch的團隊也在訓練更偏遠鄉村的顯微鏡工作者如何從人類尿液和糞便中鑒別血吸蟲卵。相關項目使用了一個簡單的3D列印電話連接物——CellScope。

該設備由加州大學伯克利分校生物工程師Daniel Fletcher的實驗室研發。它主要基於一個可拆卸部件，能將智能手機的相機鏡頭反轉，以放大圖像。同時，Fletcher團隊還使用CellScope尋找其他寄生蟲，例如羅阿絲蟲。

「在實驗室研發一個設備，然後證實它能工作是一件事。」Fletcher說，「但讓這些設備能在野外工作，是一個非常難的過渡。當它確實能發揮作用時，有用到令人難以置信。」

廣泛應用

還有人使用智能手機進行教學。賓夕法尼亞大學生物工程學研究生Megan Sperry和Heidi Norton，與Biomeme公司及教育機構TechGirlz合作，使用手機向18位女學生教授現代分子生物學。

該團隊從費城3家餐廳訂購了新鮮生魚片，然後使用two3檢驗了菜單是否準確描述了魚的種類。但一半情況下沒有。Sperry表示，對於學生而言，能將課堂與生活結合起來，會讓學習更有趣。「這是一個真實實驗案例：我們有了魚，然後進行基因分析，弄清菜單是否正確。」她說。

無獨有偶，斯坦福大學生物工程師Ingmar Riedel-Kruse則使用手機製造了教學顯微鏡。Riedel-Kruse開發出一個3D列印的LudusScope。該設備包含操縱桿控制的LED燈，學生能用它驅動視野中的光應答單細胞原生生物。

而西班牙生物醫學研究所工程師和管理者Julien Colombelli將智能手機電池和LEGO積木結合在一起，闡明了光片照明顯微鏡背後的原理。LEGOLish系統不是一個真的顯微鏡，Colombelli表示，它並不包含放大鏡。但它能成像1~2厘米的物體，大約有老鼠胚胎大小。這個設備的成本約200美元，當然不包含手機。

Colombelli和光學研究所的同事Jordi Andilla最初設計LEGOLish的目的是作為2014年的一次顯微鏡學會議最佳海報的獎品。但他們後來升級了設計，使其適合於科學應用，儘管成本是之前的10倍。「我們認為這將對許多辦公室有所幫助，他們能在1周內用不到2000美元建造一個能用的系統。」他說。

走出實驗室

智能手機的輕便性讓它們在邊遠地區尤其有用。去年年底，緬因州比洛奇海洋學實驗室海洋微生物學家Peter Countway就在南極洲北部的帕默站使用了two3。他們使用該設備研究了海洋細菌如何代謝二甲基磺基丙酯—— 一種浮游植物產生的有機硫化合物，能反映全球氣候模型的變化。

而且，愛爾蘭都柏林大學學院的Emmanuel Reynaud也利用智能手機研究了法卡拉瓦島珊瑚礁的健康狀況和結構。

為了獲得廣角視野，研究人員利用柯迪風箏將一部便宜的安卓手機帶入空中，然後每6個小時拉動風箏。手機能每20分鐘拍攝一張照片，然後將照片和數據傳輸到下方的電腦中。而硬體的總成本僅約為400美元。

此外，越來越多的手機能收集醫學相關數據，例如心率等。4月，CNBC報道稱，蘋果公司正在研發能通過皮膚測血糖的感測器。研究人員正在尋找新方法，利用這些數據解答科學問題。

例如，蘋果的ResearchKit允許科學家使用蘋果手機招募志願者參加實驗，並管理相關工作。「我認為這是一個相當好的主意。」西奈山伊坎醫學院的Yvonne Chan說，ResearchKit能將普遍需求與人們內在的科學好奇心相結合，從而完成一些「極好的事」。

當蘋果在2015年發布ResearchKit時，它還宣布啟動5個使用該軟體的研究。一些研究使用手機感測器存檔患者的癥狀，還有人利用這些工具診斷患者或收集手機使用者上傳的數據。

Chan便是其中一個研究項目（哮喘健康研究）的負責人。研究人員要求參與者每天回答健康問題，然後將這些數據與參與者的位置信息相關聯。她提到，多虧蘋果的營銷能力，相關App的普及率高於預期，僅3天就有3000人完成註冊和同意參與。

無論手機帶給人們的福利是否會過去，有一件事情是肯定的：全球智能手機開發者之間的技術競爭幾乎沒有放緩的跡象。這對消費者來說是個好消息，對科學來說也是個好消息。（唐一塵編譯）

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