一种用于高通量荧光成像的芯片级显微镜

片上荧光显微镜结构紧凑，具有大视野和高分辨率。

       传统的光学显微镜有助于研究细胞和微生物，荧光显微镜通过选择性地对分子添加荧光标记，从而使更小的细胞特征可视化。这些显微镜通常包括需要定期维护以保持镜头对齐的庞大且昂贵的系统，此外，他们需要在设备尺寸、视野尺寸和分辨率之间做出折中，为了让科学家看到更多细节，需要更大的光学组件，但这会导致视野减小。

       芯片技术为显微镜提供了完全不同的视野，芯片结构紧凑并且可以集成多种功能，这种可缩放的可能性使得基于芯片的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 设计了一种具有可扩展视野的高分辨率片上显微镜。在为期五年的项目中期，他谈到了早期的成功和未来的挑战。

无透镜荧光显微镜

       为了缩小显微镜的尺寸，Niels Verellen 的团队移除了标准光学显微镜的精髓部分：镜头。光学显微镜存在的无镜头选项可直接对散射光成像，例如，IMEC 的无透镜显微镜使用激发光的干涉图案重建全息图像。由于荧光不相干，这些解决方案不适用于荧光显微镜，这意味着激发光和荧光发射之间没有时间-间隔关系。

        Niels Verellen 说：“ERC 项目的目标是实现荧光显微镜与现有的无透镜光学显微镜相同的优势（小尺寸、可扩展性、大视野和高分辨率），我们显微镜的工作原理与传统的共聚焦激光扫描荧光显微镜类似。无透镜显微镜包含一个图像传感器（像素阵列），其顶部是由形成聚焦照明点的波导和相位调制器组成的一个集成光子电路，与传统上使用一个焦点共聚焦显微镜不同，我们可以同时生成和扫描多个点。”

       Niels Verellen 说：“不需要透镜：集成光电子电路模拟了传统物镜在共聚焦显微镜中实现的所有功能，透镜将激光聚焦成一个小点以选择性地激发样品中的荧光团。在我们的情况下，微小的光点是在集成光子电路中产生，在共聚焦显微镜中的同一个透镜收集荧光。如果你使用数值孔径更高的物镜，你可以收集更多的光。由于产生斑点的集成光子电路非常接近对于图像传感器，我们显微镜的数值孔径本来就很高。”

芯片上荧光显微镜的概念。在光子电路中产生照明点。成像仪在光激发荧光团时收集信号。

用于下一代测序的高通量显微镜

       该芯片为传统显微镜提供了高通量替代品，尤其是对于与测序相关的应用。Niels Verellen 说：“我们只能在大约 100 纳米深的波导中倏逝场内的样品表面进行测量，除了成像膜蛋白外，我们认为DNA 测序是与我们最相关的应用，DNA 标记和光学检测构成了下一代测序的支柱，可以在一次实验中分析生物体的整个基因组。要对基因组进行测序，需要在短时间内以合理的成本读出数百万到数万亿个被荧光标记的核苷酸（A、G、T、 C，DNA 的构建块），片上显微镜可以高通量扫描表面的核苷酸阵列，芯片的可扩展性允许实验的大规模并行化

       Niels Verellen 解释说：“这是与共聚焦显微镜相比的主要优势之一” ， “共聚焦显微镜的成本超过 100,000 欧元，可以扫描含有数量有限的 DNA 片段或其他分子的孔板。IMEC的片上显微镜实现了相同的分辨率，但你可以仅在成本和占地面积的一小部分将十个芯片并排放置在桌子上，并且不需要昂贵的对中维护，它消除了通量的瓶颈。”

生成光斑图案

        Niels Verellen 说： “该项目的最大挑战是创建高分辨率结构化照明模式，换句话说：如何在二维芯片范围的大视场内生成最佳的光斑图案。” 光子芯片的基本元件是引导芯片内光的波导和为整形样品照明光的相位调制器，可以使用激光的波动特性产生干涉图案，因此，在叠加波相互增强（相长干涉）的区域中会出现一个光点，而在波相互抵消（相消干涉）的区域中则保持黑暗。Niels Verellen 解释说：“要生成理想的图案，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，使用有限数量的组件实现了光子芯片上的模式。该模型基于素数分解来设计光点的相干光学晶格。”

精确控制干涉图案以形成照明点。

光学元件的优化

       主要创新之一是将该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、重新设计和防范电路中所有光学元件的风险。测试芯片（没有成像仪）的初步结果表明可以很好地控制和调制干涉图案。

       此外，该团队还必须开发一个放置在成像仪和光子电路之间的过滤器。该过滤器不允许激发光通过，因此只有荧光发射到达成像仪。标准荧光显微镜使用干涉滤光片来选择性地拒绝窄范围的波长来实现这一点。为了达到最佳效果，物镜需要确保荧光直射滤光片。Niels Verellen 解释说：“由于没有镜头集束光线，我们不能使用标准的干涉滤光片。” “因此，我们开发了一种覆盖更大角度范围的定制过滤器。”

       Niels Verellen 说：“直到现在，这些组件都是单独设计和测试的。但是，我们期待着从超净间出来的成像仪上的第一个光子电路” ， “该芯片将是第一个能够展示整个成像概念的证明设备，与此同时，我们已经在寻找方法以扩大到 1cm 2量级的更大视野，”Niels Verellen 说。“为了这个目标，我们正在开发几种定制的无源和有源光电路组件，以高效快速的方式对光进行整形和调制。”

顶部：具有集成光子电路的 200 毫米硅晶片。底部：扫描电子显微镜 (SEM) 图像显示了集成在成像仪上的光子电路的横截面。

消息来源：https://phys.org/news/2021-11-chip-scale-microscope-high-throughput-fluorescence-imaging.html