無透鏡3D熒光顯微鏡！世上最小最輕的生物學顯微鏡

在這篇最新《Science Advances》文中，萊斯大學的Ashok Veeraraghavan、Jacob Robinson和Richard Baraniuk等人向我們介紹了這台視野寬闊的FlatScope。它比銀行卡還薄，小到可以放在指尖上，解析度卻可達到微米級別。

傳統顯微鏡、望遠鏡和照相機，它們的解析度都取決於鏡片大小，為追求高解析度，這些設備的體積和重量通常也十分可觀，體型限制了它們在許多生物學領域的應用。

FlatScope去除了阻礙傳統顯微鏡的透鏡陣列（小視野暗，大視野亮），用定製的振幅掩模（amplitude mask）代替傳統的透鏡陣列。受數碼相機的感光元件「電荷耦合器（charge-coupled device，CCD）晶元」啟發，FlatScope的視野等同於CCD感測器尺寸，可根據需要或大或小。

這種類似條形碼的掩模直接位於CCD前面。光線進入掩模到達感測器後生成計算機程序可以理解並轉化為圖像的數據。演算法可聚焦顯微鏡捕獲的三維數據的任何部位，生成視野內物體的微米級細節鏡像。

Robinson說：「我認為顯微鏡就是允許你在微米尺度上成像的東西，任何比人的頭髮小的東西，比如細胞、細胞的組成部分或纖維的精細結構。FlatScope的前身FlatCam的演算法並非簡單地套用了我們用來拍攝遠距離物體時的技術。」

掩模類似透鏡照相機的光圈，但是它距離感測器只有幾百微米，因此只允許部分光線通過，這限制了簡化處理的數據量。

「對一個百萬像素的照相機來說，計算問題需要一個100萬乘100萬的矩陣元素，」Robinson說。「這是一個極大的矩陣。我們通過行和列模式將其分解後，我們的矩陣僅為100萬個元素。」

每張快照的數據量從600萬兆位元組縮減到更實用的21 MB，這意味著處理時間的縮短：從早期版本（FlatCam）的1個多小時，縮減到FlatScope版本的每秒30幀。

「這款顯微鏡的一個巨大優勢在於它摒棄了傳統相機的透鏡組件，因此無需製造後組裝。可以想像，未來，這種『口袋顯微鏡』可源源不斷地從生產線上滾下來。」

萊斯大學研究生Vivek Boominathan（左）

可作為植入內窺鏡的FlatScope首先是滿足醫療需求，此外，它還具有軍事應用價值。「兜里藏著一個顯微鏡，真是一個很棒的技術，」Veeraraghavan說。

目前，研究人員的工作主要集中在熒光應用，但是FlatScope亦可作為明視野、暗視野和反射光顯微鏡。將一組FlatScope排列在一個靈活的背景上，它還能用於匹配目標輪廓。

原文標題

Single-frame 3D fluorescence microscopy with ultraminiature lensless FlatScope

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！