imec 获得 ERC 资助以开发新型荧光显微镜；欧盟资助的新项目以“超级细菌”为目标。用于高通量荧光成像的芯片级显微镜

片上荧光显微镜的概念；在光子电路中产生照明点。

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传统的光学显微镜在研究细胞和微生物方面发挥了重要作用。荧光显微镜通过选择性地将荧光标记添加到分子中，使更小细胞特征的可视化成为可能。

但是荧光显微镜通常是笨重且昂贵的系统，需要定期维护以保持镜头对齐。为了让科学家看到更多细节，需要更大的光学元件，但这会导致视野缩小。

芯片技术提供了不同的观点：芯片结构紧凑，可以集成多种功能。比利时纳米技术和光子学研究中心imec的一个研究小组表示，这种扩展的可能性可以使芯片显微镜的生产成本仅为标准设备的一小部分。

imec 的首席科学家 Niels Verellen 已获得ERC 启动资助，用于设计具有可扩展视野的高分辨率片上显微镜。在五年项目的中途，他刚刚在 imec 网站上描述了早期的成功和仍然存在的挑战。

无透镜荧光显微镜

为了缩小显微镜的尺寸，Verellen 的团队移除了标准光学显微镜的关键部分：镜头。光学显微镜存在无镜头选项，观察者直接观察散射光。

imec 的 Niels Verellen

例如，imec 的无透镜显微镜使用激发光的干涉图案以全息方式重建图像。这些解决方案不适用于荧光显微镜，因为荧光不相干，这意味着激发光和荧光发射之间没有时间-距离关系。

Verellen 评论道：“ERC 项目的目标是实现与现有无透镜光学显微镜相同的优势，即荧光显微镜具有体积小、可扩展性、大视场和高分辨率等优点。我们显微镜的工作原理类似于传统的共聚焦激光扫描荧光显微镜。

“无透镜显微镜包含一个图像传感器——一个像素阵列，顶部有一个集成光子电路，由波导和相位调制器组成，形成聚焦的照明点。与传统上使用一个焦点操作的共聚焦显微镜不同，我们可以同时生成和扫描多个点。”

该芯片提供了传统显微镜的高通量替代方案，尤其适用于与测序相关的应用。“我们只能在样品表面测量，在大约 100nm 深的波导中全内反射光的消逝场内。除了成像膜蛋白，我们认为 DNA 测序是与我们的概念最相关的应用，”Verellen 说。

与共聚焦显微镜相比，基于芯片的方法的另一个主要优势是其相对较低的成本。“一台共聚焦显微镜的成本超过 100,000 欧元，并且可以扫描带有有限数量的 DNA 片段或其他分子的孔板，”Verellen 说。“Imec 的片上显微镜实现了相同的分辨率，但您可以将十个芯片并排放置在一张桌子上，而成本和占地面积只是其中的一小部分，而且不需要昂贵的对齐维护。”

干涉图案可以被精确控制以形成照明点

光点图案

光子芯片中的基本组件是用于引导和塑造样品照明光的波导。干涉图案可以使用激光的波特性产生。因此，在组合波相互增强的区域中出现了一个光点。

“要生成所需的模式，对干扰波的精确控制至关重要。我们成功地建立了一个数学模型，该模型在光子芯片上用有限数量的组件实现了这种模式，”Verellen 说。

其中一项主要创新是将这一理论模型转化为允许成像的芯片架构。为此，该团队必须优化、重新设计电路中的所有光学元件并降低其风险。测试芯片（没有成像器）的初步结果表明，可以很好地控制和调制干涉图案。

“到目前为止，这些组件都是单独设计和测试的。然而，我们期待成像仪上的第一个光子电路走出洁净室，”Verellen 说。“这些芯片将是第一个可以展示整个成像概念的概念验证设备。“与此同时，我们已经在寻找扩大到 1cm 2量级的更大视场的方法。我们正在开发几种定制的无源和有源光路组件，以高效、快速地塑造和调制光。”

欧共体授予卫生财团 560 万欧元

专注于“超级细菌”的新显微镜

在一个新的欧洲项目中合作的科学家们正在开发一种新的超分辨率显微镜，该显微镜将使用激光来研究“超级细菌”（如肺炎链球菌）的内部运作和行为，以获得关于它们如何引起疾病的新见解。作为细菌性肺炎、脑膜炎和败血症的主要原因，肺炎链球菌估计仅在 2015 年就在全球造成约 335,000 名 5 岁以下儿童死亡。

当前的技术不允许对影响疾病发展的细菌特性进行彻底研究的解决方案。但现在，这种超分辨率显微镜将使用激光以极高的分辨率照亮蛋白质，让科学家们获得新的见解。

该项目被称为“了解细菌毒力和侵袭性的纳米级可视化”（简称 NanoVIB），有望揭示超级细菌如何引起疾病，从而为开发治疗细菌感染的新型抗菌药物提供基础。

欧盟委员会已通过 Photonics Public Private Partnership 向该健康财团拨款 560 万欧元，用于建造这种超分辨率显微镜。该项目将持续到 2024 年，包括来自三个国家的六个合作伙​​伴：Kungliga Tekniska Hoegskolan（KTH）、协调员和卡罗林斯卡学院（瑞典）；Institut für Nanophotonik、Abberior Instruments 和 Angewandte Physik und Elektronik（德国）；和 Pi 成像技术（瑞士）。

十倍分辨率

项目协调员 Jerker Widengren 教授评论说：“我们希望我们的新显微镜原型能够成为下一代超分辨率系统，从而能够以比使用荧光发射器（荧光团）高 10 倍的分辨率对标记有荧光发射器（荧光团）的细胞蛋白进行成像。任何其他荧光显微镜技术。

他补充说：“使用激光，这种新的显微镜将显示细菌蛋白质如何定位于细菌表面，使科学家能够研究病原体与免疫细胞和宿主细胞的相互作用。它基于 Miniflux 概念工作，其中红外激光以三角方式激发荧光团标记的分子，从而提高分辨率。”