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“CyteLive”是南京理工大学电光学院的学生团队研制出的新一代无透镜全息显微镜，它可以直接内置于培养箱，而且能实现非染色、大视场、高分辨、长时间的连续观察，其视场是传统显微镜的200倍，可同时观测10万个血细胞。 通常情况下，显微镜下的标本细胞是无色透明的，需要将细胞染色标记再观察。然而这将损害甚至是杀死细胞，难以实现长时间连续观测。南京理工大学电光学院的研究团队利用定量相位成像技术，使CyteLive可以在无需对细胞进行任何染色标记的前提下，实现长达数天的连续观测，不仅细胞细节清晰可见，还能准确还原其三维影像，可谓“360度全方位无死角”。 传统显微镜头都服从“物镜比例法则”，往往是大视场和高分辨率两者不可兼得。CyteLive抛弃了传统显微镜的所有光学镜头，只保留了光源和传感器，实现了小型化、轻量化。它的体积仅有传统显微镜的0.8%，可直接放在细胞培养箱里进行活细胞箱内观察。 虽然CyteLive体积小，但它的内部蕴含着诸如无透镜相位恢复与像素超分辨等多项核心关键技术。CyteLive不需要复杂的机械调焦装置，而是通过计算成像算法，把样品聚焦图像“算”出来，借助自适应超分辨成像技术，成像分辨率可突破至像素尺寸的三分之一。这种无透镜成像能实现20倍物镜的成像水平，它的超大成像视场可使单幅图像高达一亿像素，可同时观测10万个血细胞。
这是CyteLive观测到的海拉细胞（宫颈癌细胞），单幅图像一亿像素，获得的视场是传统显微镜的200倍。目前，该型显微镜已应用于医院、药业等机构。 附：科学家的解读 南京理工大学电光学院的学生团队研制出的新一代无透镜全息显微镜，这显然跟光学有关。姬扬老师就此作了解读。 长期自然选择的结果使得人具有了一套光学系统（眼睛），能够把周围的事物成像在探测器（视网膜），再通过数据处理系统（大脑）得到关于客观世界的比较正确的图像。这套系统并非完美无缺（比如眼睛都有盲点，有的很容易近视，有些人还是色盲，等等），但非常有用。那些成像效果难以维持生命生存的都早早没有后代、消失在历史中了。当然，以光为背景的这套感觉系统也不是支持生命生存的唯一途径，蝙蝠和海豚是靠一套声学系统通过声波来认识世界的，不也活得很好吗？它们对客观世界的反响可能跟我们相差并不太多。 自从出现了望远镜和显微镜，光学研究的一个主要目标是把物体通过合适的光学系统成像在人的视网膜上，但现在这个需求已经不那么迫切了。比如说，不管是显微镜还是望远镜，原来放置目镜的位置，现在大多换成了CCD相机，然后把图像直接投影到大屏幕上。不过，目前这些光学系统一般仍然需要透镜等光学元件。 其实也可以不用任何透镜。基尔霍夫衍射公式告诉我们，只要知道光场振幅在一个面上的分布情况，就可以得到随后的所有演化情况，只要做些加法就行了（积分就是加法）。困难在于需要做的加法有些多，只有等到计算机出现才有现实的可操作性。现在的计算能力超级强大，做这些事情容易了。南京理工大学电光学院的学生团队研制出的新一代无透镜全息显微镜就是一个例子。 至于他们具体是怎么实现的，我们尚不了解，只能从光学理论上说一说。 被观测的样品是培养皿里的细胞。按照菲涅尔定律，振幅反射率正比于δn/n（折射率的差别与平均折射率的比值），光强反射率|δn/n|2当然就更小了。细胞和培养液的折射率非常接近（应该都跟水差不多），所以，如果只是用光照一下的话，光的透射率不会有太大差别，不容易成清晰的像。然而，光穿过细胞而获得的额外相位是ϕ=2πδnRλ/n（R是细胞的直径，典型值是几微米甚至更大），这个值可比δn/n大多了，原因在于反射和透射只发生在界面处，而相位则可以在体内累积。 这个相位差用三角函数描述，eiϕ≈1+iϕ（假设ϕ≪1），这两项的相位相差了π/2，所以用勾股定理算出来的总长度没有什么太大变化。如果想办法把其中一项的相位改变π/2，总长度就可以变为了，ϕ比ϕ2就大得多了，位相的差别就可以体现在强度上了。这就是盖伯（Gabor）发明的相衬法。 相衬法仍然需要想办法在人眼里成为一个可理解的像：人眼看不懂普通的干涉图案，所以需要把精巧设计的相位板插入到显微系统的适当位置。现在不需要了：有了干涉图案，我们硬算就行了。 干涉图案的产生可能有两种方式：一种是把整个培养皿当成样品，让一束光穿过它，再和另一束参考光发生干涉；另一种是把培养液（实际上是细胞与培养液的平均体）视为一部分，把细胞（实际上是细胞与培养液的差别）视为另一部分，光通过这两者就会发生干涉，用个CCD直接记录干涉图样就可以了。 光源的性质是已知的（人为预先选择），样品的情况也基本上了解（主要就是培养液），计算的难度并不是特别大，当然不同算法的效率可能有差别。前几年就有几篇硕士论文讨论这件事（也做了实验）。所以，新一代无透镜全息显微镜的亮点主要体现在理论转化为成果，形成效率。 光学里硬算的例子还有很多。 比如说，天文观测中的甚长基线射电望远镜系统，就是把遍布全球的多个观测站的信息综合起来进行处理，从而得到宇宙深处天体的信息。最近拍摄的黑洞照片就是非常成功的例子。 再比如说，很多实验室都有傅里叶变换光谱仪，其实就是一个迈克尔逊干涉仪，样品发出的光（有很多个波长）进入干涉仪以后，探测器得到的光强依赖于干涉仪两臂的光程差：不同波长的光，干涉的结果不一样，而探测器对波长的响应不是那么强烈。匀速移动迈克尔逊干涉仪的一个反射镜，记录探测器信号随时间变化的结果，然后再用计算机算一下，就可以得到样品的整个光谱了。 光学的原理很简单，应用范围很广阔。大学培养一批具有基本素质的人，然后把他们四面八方地撒出去，总有人能够碰到合适的问题并把它解决掉。实际上，很多事情并不需要特别高深的知识，大学普通物理就足够了，只是需要有人去做而已。但是，普通高等教育一般不能确定为何（具体目标）而教、为何而学。至于说课堂上使用英文教材，校园里充满三和大神之类，都只是表象而已。 |
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