Small Methods?|?基于微透鏡陣列的片上光散射增強實現(xiàn)在傳統(tǒng)明場顯微鏡下的高性能單顆粒追蹤
單顆粒追蹤(Single-Particle Tracking,SPT)技術(shù)被譽為揭示納米尺度下分子與顆粒動態(tài)行為的“火眼金睛”,能夠在生命活動的原生環(huán)境中,實時、可視地捕捉單個分子或納米顆粒的運動軌跡,是研究分子相互作用、細胞信號傳導(dǎo)、藥物遞送機制等重要生物物理過程的關(guān)鍵工具。尤其在異質(zhì)性體系(如活細胞內(nèi)復(fù)雜環(huán)境)中,SPT能分辨不同群體的運動行為,揭示被傳統(tǒng)群體平均測量所掩蓋的動力學(xué)細節(jié),為理解生命活動的微觀機制提供前所未有的時空分辨率。
然而,該技術(shù)的廣泛應(yīng)用長期面臨兩大挑戰(zhàn):基于熒光的SPT需依賴復(fù)雜標記且易受光子飽和限制,影響成像速度與定位精度;而基于光散射的無標記SPT則因?qū)Ω叨斯鈱W(xué)系統(tǒng)(如強激光器、高數(shù)值孔徑物鏡)的嚴苛要求與高昂成本,難以廣泛推廣。
近日,中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)全國重點實驗室、醫(yī)工所傳感中心楊慧研究員團隊,以封面論文形式在Small Methods上發(fā)表了題為"On-Chip Light-Scattering Enhancement Enabled by a Microlens Array for High-Performance Single-Particle Tracking under Conventional Bright-Field Microscopy"的研究成果,成功開發(fā)出一種基于“片上微透鏡陣列”的新型光學(xué)傳感器。
該傳感器的核心創(chuàng)新在于采用高折射率介質(zhì)微球構(gòu)建的微透鏡芯片。與現(xiàn)有近場光學(xué)增強技術(shù)(增強范圍高度局域化)不同,該傳感器通過“增強型長程光場”與“納米顆粒–微透鏡復(fù)合相互作用”新機制,實現(xiàn)了十倍于傳統(tǒng)近場技術(shù)的超長光散射增強范圍。
首次將高性能S-SPT技術(shù)的強大能力擴展至普通明場顯微鏡,僅需使用非相干白光光源(如LED)和低照明功率即可實現(xiàn)高精度探測
這一技術(shù)突破,成功將高性能無標記SPT技術(shù)從依賴特種光學(xué)系統(tǒng)的“精密試驗”,轉(zhuǎn)變?yōu)樵谄胀鲌鲲@微鏡上即可實現(xiàn)的“常規(guī)觀測”。具體而言,該技術(shù)展現(xiàn)出三大優(yōu)勢:
1. 極低系統(tǒng)門檻:僅需配備常規(guī)明場顯微鏡、非相干明場光源和以及低照明功率,大幅降低了技術(shù)與成本壁壘。
2. 卓越綜合性能:在750 μm2的大視場下,僅用200 μs的超短曝光時間,即可對溶液中微小至60 nm的顆粒實現(xiàn)2.9nm的納米級定位精度。
3. 超長工作距離:其增強范圍遠超傳統(tǒng)近場技術(shù),為觀測顆粒的三維運動軌跡提供了更大空間。
研究團隊提出的這項新型傳感器,不僅攻克了長期存在的技術(shù)難題,更重要的是,它構(gòu)建了一個更易獲取、性能強大的開放式研究平臺。這項曾經(jīng)“高不可攀”的技術(shù),如今變得直接、經(jīng)濟、易于實施。該平臺所具有的納米級定位精度、亞毫秒時間分辨率、大視場觀測能力以及對普通光學(xué)系統(tǒng)的兼容性,將作為一項支撐性工具,為超靈敏生物傳感器開發(fā)、疾病早期診斷、納米藥物開發(fā)、單分子動力學(xué)分析等眾多前沿領(lǐng)域提供強大的工具支持。
圖1. Small Methods封面圖

圖2. 溶液中運動納米顆粒實時追蹤,實現(xiàn)超高時間分辨率及納米級定位精度測定;(a).片上光散射增強示意圖;(b). 光學(xué)系統(tǒng)示意圖;(c). 典型單顆粒的圖像序列成像;(d). 單個顆粒的運動軌跡;(e). 不同尺寸顆粒的直徑測量;(f). 不同尺寸顆粒均方位移曲線分析
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