作者:IMEC的Niels Verellen
片上荧光显微镜体积小，视野大，分辨率高
信用:imec 传统的光学显微镜有助于研究细胞和微生物；荧光显微术通过选择性地给分子添加荧光标记，使得更小的细胞特征可视化
这些显微镜通常包括庞大且昂贵的系统，需要定期维护以保持透镜对准
此外，他们需要在设备尺寸、视场大小和分辨率之间达成妥协
为了让科学家看到更多的细节，需要更大的光学元件，但这会导致视野缩小
芯片技术呈现出一种完全不同的显微镜观
芯片紧凑，可以集成多种功能
缩放的可能性使得基于芯片的显微镜能够以标准设备的一小部分成本生产
imec的首席科学家Niels Verellen设计了一种高分辨率的片上显微镜，具有可扩展的视野
在五年计划的中途，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华部分:透镜
光学显微镜存在无透镜选项，可直接对散射光成像
例如，Imec的无透镜显微镜利用激发光的干涉图案来全息重建图像
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
Niels Verellen表示，“ERC项目的目标是实现与现有荧光显微镜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类似于传统的共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(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，形成聚焦照明点
与传统的用一个焦点操作的共焦显微镜不同，我们可以同时产生和扫描许多斑点
" “不需要透镜:集成光子电路模拟了传统共焦显微镜中物镜的所有功能
透镜将激光聚焦成一个微小的点，选择性地激发样品中的荧光团
在我们的例子中，集成光子电路中会产生微小的光点
共焦显微镜中的同一个透镜收集荧光
如果使用数值孔径更大的物镜，可以收集更多的光
因为产生光斑的集成光子电路非常靠近图像传感器，所以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
照明光斑在光子电路中产生
成像器拾取光激发荧光团的信号
信用:imec 用于下一代测序的高通量显微镜技术 该芯片是传统显微镜的高通量替代品，尤其适用于测序相关应用
Niels Verellen说，“我们只能在样品表面测量，在波导(大约100纳米深)内全部内部反射光的倏逝场中
除了对膜蛋白成像，我们认为DNA测序是与我们的概念最相关的应用
DNA标记和光学检测构成了下一代测序的基础，在下一代测序中，一个生物的整个基因组可以在一个实验中进行分析
为了对基因组进行测序，需要在短时间内以合理的成本读出数百万到数万亿个荧光标记的核苷酸(A、G、T、C，DNA的组成部分)
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
" “这是与共焦显微镜相比的主要优势之一，”尼尔斯·维伦解释道
“一台共焦显微镜的价格超过10万€，可以扫描含有有限数量DNA片段或其他分子的孔板
Imec的片上显微镜达到了同样的分辨率，但是你可以在一张桌子上并排放置十个芯片，成本和占地面积都很小，而且不需要昂贵的校准维护
它消除了吞吐量的瓶颈
" 产生光点图案 “这个项目最大的挑战是创建高分辨率的结构化照明模式
换句话说:如何在二维芯片的范围内，在大视场范围内产生最佳的光斑图案
“光子芯片的基本组件是引导芯片中的光的波导和为样品照明整形光的相位调制器
可以利用激光的波特性产生干涉图案
因此，光点出现在组合波相互增强的区域(相长干涉)，而在波相互抵消的区域(相消干涉)保持黑暗
“为了产生所需的模式，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，在光子芯片上用有限数量的元件实现了图案
这个模型是基于质数分解来设计一个由光点组成的相干光学点阵，”尼尔斯·维伦解释道
干涉图案可以被精确控制以形成照明点
信用:imec 光学元件的优化 主要创新之一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、重新设计并降低电路中所有光学元件的风险
在测试芯片(没有成像器)上的初步结果表明，干涉图案可以被很好地控制和调制
此外，该团队必须开发一种定制的滤波器，放置在成像仪和光子电路之间
该滤光器拒绝激发光，使得只有荧光发射到达成像器
一个标准的荧光显微镜使用干涉滤光器，选择性地拒绝窄范围的波长来实现这一点
为了使其最佳工作，物镜需要确保荧光直射到滤光片上
“在没有透镜来承担捆绑光线的任务的情况下，我们不能使用标准的干涉滤光片，”Niels Verellen解释道
“因此，我们开发了一种覆盖更大角度范围的定制滤波器
" “直到现在，组件都是单独设计和测试的
然而，我们期待着洁净室之外的成像器上的第一个光子电路。”
“这些芯片将是能够展示整个成像概念的第一个概念验证设备
与此同时，我们已经在寻找将视野扩大到1cm2的方法，”Niels Verellen说
“为了实现这一目标，我们正在研究几种定制的无源和有源光学电路元件，以高效、快速的方式塑造和调制光线
" 顶部: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，显示集成在成像仪上的光子电路的横截面
信用:imec
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