全像投影顯微鏡用手機晶片就可治病

作者 | 發布日期 2014 年 12 月 30 日 17:11 | 分類 光電科技 , 尖端科技 , 手機
holographic-microscope

一般人印象中仍帶有科幻色彩的全像投影技術 (Holography) ,其實也可以拿來製作新的高倍率顯微鏡。科學家新發表一款不用透鏡成像的光學顯微鏡,不但效果比傳統得要好,成本也更低廉、容易使用。



 

檢測樣本準確率99%

其實「數位全像投影顯微鏡」(digital holographic microscopes) 之前就已經發展出來,但影像的品質不足以拿來做疾病診斷這種高標準的需求。這次美國加州大學洛杉磯分校的工程師,把發展出來的原型機交給一位病理學家測試,他分別利用傳統的顯微鏡與原型機檢測 75 個乳房組織樣本,以尋找其中的病變,結果傳統顯微鏡檢測結果全部正確,原型機對了 74 個,幾近滿分。

他們利用具有部份「相干性」()的光源,照射在這些樣本上,光源穿透樣本後,底下的偵測器晶片便收集有關光源的相關數據,傳送到電腦,再計算得出一個高解析的全像樣本影像。此外,傳統顯微鏡如果要看樣本不同深度的影像,使用者要自己去轉顯微鏡上的旋鈕,加大的全像投影技術,則是透過電腦解決這個問題。

 

傳統光學顯微技術再精進

傳統的光學顯微鏡大約在十六世紀末到十七世紀初發明,到了十八世紀已經可以將物體放大到一千倍,但利用實體的透鏡不斷放大有其極限,到了 1931 年第一個電子顯微鏡誕生,將透鏡改成電磁鐵,將光子改成電子,如此一來可以將物體放大數十萬倍,某些類型的電子顯微鏡就可以看到原子等級,因此就可以看到如病毒等微小的生物。

2014 年諾貝爾化學獎頒給三位以「超高解析螢光顯微技術」的科學家,他們則是把傳統光學技術推進到奈米等級。假設以肉眼可見的 1 毫米 (mm, 10-3m) 物體為基準,十八世紀的一千倍就像是把 1 微米 (10-6m) 放大到 1 毫米的大小,而「超高解析螢光顯微技術」則是把奈米 (10-9m) 放大到 1 毫米大小,等於是十億倍。

「數位全像投影顯微鏡」同樣不使用透鏡,但仍是用傳統光源來偵測樣本,只不過使用者也不是像傳統光學顯微鏡一樣看到的是實體的影像,而是經過電腦計算的結果,可以「看到」更微小物體,也兼具現有各種技術的特色。

研究團隊使用的技術成本並不高,例如他們使用的偵測晶片在很多智慧手機都有。這個團隊過去也曾做過成本低於一千美元的數位全像投影顯微鏡,也有另一個成本只有一百美元,但只能看大腸桿菌等級微生物的顯微鏡,至於這次原型機成本多少則未提及。這項成果發表在「科學 轉譯醫學」(Science Translational Medicine) 雜誌。

(首圖來源:UCLA Nano- and Bio-Photonics Lab)

 

註釋

光具有波的特性,如同在水面上丟兩個石頭,各自造成的水波會互相影響,共同產生「干涉」後的圖樣;為了產生干涉,光源必須擁有一些相干性 (coherence)。(回到本文

Two-point-interference-ripple-tank

(圖片來源:Wikimedia Commons)

 

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