最新成果！130元就能買到實驗室級顯微鏡？

2020-09-30 全國產經平臺

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機器人顯微鏡是指具有高通量和信息含量的多種用於自動成像和分析的技術集合，隨著自動控制技術的發展，各代機器人顯微鏡相繼問世，使大細胞群、高靈敏性的多變量實驗方法成為可能。如今，已有眾多研究表明機器人顯微鏡在臨床治療、癌症診斷，甚至是暗物質測量等領域均有著良好的應用前景。

圖源：VEER

然而，機器人顯微鏡的研究亦存在許多阻礙。商用高端顯微鏡可提供精確的電動高解析度成像功能，但這些顯微鏡通常存在成本過高的問題，主要原因是供應鏈不可靠，導致價格上漲，採購緩慢，並且對設備的維護亦需要較高的開銷，這使得機器人顯微鏡對眾多科研團隊來說可望而不可即。

近年來開源硬體的出現為機器人顯微鏡的進一步發展鋪平了道路，尤其是3D列印技術的普及，這使得許多開源硬體項目將3D列印用於樣機和實驗室級設備的製作加工。

近期，英國巴斯大學的Richard Bowman研究團隊提出了一種機器人顯微鏡，稱之為OpenFlexure microscope（以下簡稱OFM），這是一臺基於3D列印的實驗室級別顯微鏡，具有輕重量、低成本、高集成度和多功能顯微成像的特點。同時，OpenFlexure 可定製性很強，很適用於實驗室、學校和家庭使用。 一架用於實驗室的商用顯微鏡可以賣到數萬英鎊，約數十萬人民幣，所以無論從前期成本還是設備的維護成本來看，OpenFlexure顯微鏡都比商用顯微鏡便宜得多，它的製造成本可以低至15英鎊（低端版本），約130元人民幣，該成本主要為印刷塑料，相機和一些固定硬體的費用（該成本不含組裝成本，每個顯微鏡組裝時間通常是3-4小時；不含3D印表機的成本）。高端版本（高解析度電動版本）的生產成本為數百英鎊，其中包括顯微鏡物鏡和嵌入式Raspberry Pi計算機。

研究人員在坦尚尼亞和肯亞製造了100多臺OpenFlexure顯微鏡，證明了在世界某個地區進行概念化並在其他地方製造的複雜硬體的可行性。他們希望這些顯微鏡在世界範圍內使用，如果需要，可以在學校，研究實驗室，診所和人們的家中使用。

該成果題為「Robotic microscopy for everyone: the OpenFlexure microscope」發表在Biomedical Optics Express。該顯微鏡結構如圖1所示，經過設計，簡化了零件採購，並最大程度地提高可靠性，整臺設備高度集成，體積大小為15 cm×15cm×20cm，重量僅為500g。

圖1 OFM設計示意圖

圖源：BOE Vol.11：2447-2460 Fig.1

一臺完整的機器人顯微鏡一般需要具備四個功能：自動平移樣品以實現串行成像、多參量/多通道成像、自動化的成像控制和圖像自動分析。

功能上，首先它能提供精確的樣品三維移動和定位，基於柔性機制，在xy方向上移動精度可達70nm，而z軸方向移動精度可達50nm，而三個方向上的行程為12 mm×12mm×4mm。

其次，OFM用可互換的光學模塊，可以輕鬆地在成像模式之間進行切換。文章驗證了其可用於明場（透射和落射照明）成像，偏振對比度成像和落射螢光成像。各種成像方案示意圖如圖2所示。

圖2 OFM四種成像方式

a.透射式明場成像；b.反射式明場成像；c.偏振對比度成像；d.螢光成像

圖源：BOE Vol.11：2447-2460 Fig.3

其中，圖2(a)(b)分別為透射式和落射式明場照明方案，其具體內部示意圖如圖3所示。

圖3 OFM明場照明成像結構截面圖

a.透射式明場成像；b.反射式明場成像

圖源：BOE Vol.11：2447-2460 Fig.2

在此基礎上，OFM亦可具備偏振對比成像的能力，只需要在照明和樣品之間放置一個起偏器，並在鏡筒透鏡和傳感器之間放置一個垂直方向的檢偏器。若穿過樣品的光若偏振態未改變，則被阻擋，以此對樣品的手性或各向異性區域成像。通過偏振對比成像，OFM可以有效的觀測許多對生物學和生物化學的重要微觀結構（圖2(c)）。此外，OFM也可以實現螢光成像。同樣在透射式照明裝置的基礎上，通過在管鏡和傳感器中間的3D列印的濾波模塊內插入分光鏡和濾光鏡，並用所需激發波長的LED進行照明，可以收集樣品的螢光信號，實現低成本的螢光成像（圖2(d)）。

此外，作為機器人顯微鏡，OFM具有高度自動化的特性。一方面，OFM利用基於圖像的自動對焦算法，自動對薄樣品聚焦；另一方面，OFM採用平鋪掃描。平鋪掃描可通過在樣品周圍自動移動，在一系列位置拍攝圖像，然後以數字方式重建完整圖像來獲得比正常視場大得多的圖像。高度的自動化，使得OFM能夠對較長周期的生物行為進行成像，慢變的生物活動或生長過程使系統需要間隔較長時間（幾分鐘甚至幾小時）成像一次，因此OFM的應用有效地減少了人力在測量慢變過程中的浪費。

最後，在整體設計方面，OFM也存在其獨特的新穎性。通常，OpenFlexure項目的主要目標是實現本地生產，3D列印技術和開源硬體設計有效地實現了這個目標。然而，複雜幾何結構的逐層3D列印通常需要列印其他支撐結構，並需要通過複雜的後期處理將其移除。而本文作者將OFM設計為無需支撐材料即可進行列印的結構，這使得顯微鏡結構既列印速度提升、列印難度降低，並且避免了在移除支撐件時損壞列印零件的風險。而在非列印器件的選取和設計方面，作者也同樣平衡了成本、性能及採購難度各方面因素，極大地加快了組裝速度。

總的來說，該論文提出了一種基於3D列印的機器人顯微鏡，為世界各地的實驗室提供了以極低成本製造高性能顯微鏡的途徑。

OpenFlexure顯微鏡通過將自動圖像採集與合適的機器學習相結合，可以快速並行地診斷疾病以及它巨大的成本優勢，普通門診就可以低成本檢測疾病，如此一來，許多患者在當地醫院就可就診，而不用擁向高端醫院做檢測，減輕社會醫療壓力。

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