手機中的“細胞”:介面卡將手機攝像頭變成顯微鏡

一款低成本的手機攝像頭介面卡可以捕捉異常細胞和寄生蟲的影像


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幾年前,加州大學伯克利分校的教授丹尼爾·弗萊徹向他的光學和顯微鏡課程的本科生提出了一個挑戰,要求他們僅使用手機和幾個物鏡開發一種儀器。直到專案開始後,弗萊徹和學生們才意識到他們創造了一種強大而廉價的儀器,該儀器可能用於檢測發展中國家常見的疾病,如瘧疾、鐮狀細胞性貧血和肺結核。

這些疾病尤其在非洲肆虐。據世界衛生組織(WHO)稱,在2003年,在有可用資料的10個非洲國家中,有11,875,108人患有瘧疾。每年大約有30萬嬰兒在非洲出生時患有鐮狀細胞性貧血,而肺結核是艾滋病毒感染者的主要殺手,僅在2007年就感染了撒哈拉以南非洲的約190萬人。

經濟上的限制阻礙了這些疾病的診斷和治療。據在西非多哥的Kpele Tsiko和印度安得拉邦的傳教士醫院擔任志願者的研究科學家迪娜·西加諾說,“獲得像識別瘧疾所需的光學顯微鏡這樣的正常運轉的裝置是一項挑戰。”實驗室級版本需要花費數千美元,西加諾指出,一旦購買了裝置,就沒有錢來維護和維修它。

弗萊徹和他的同事認為,他們稱之為CellScope的裝置將為顯微鏡提供一種廉價的替代方案。該小組製作了一個可拆卸的介面卡,該介面卡安裝在標準諾基亞N73手機上的攝像頭鏡頭上。大衛·佈雷斯勞爾是發表在《公共科學圖書館·綜合》上的研究的首席作者,他在大學網站上的影片中演示了該介面卡。它包括廉價的標準顯微鏡目鏡和物鏡,以及高功率LED,這些LED可以照亮物體。

為了確定CellScope的實用性,該小組獲得了並分析了經確診患有瘧疾和鐮狀細胞性貧血的患者的樣本。將含有每個樣本的培養皿夾在介面卡的末端,並透過鏡頭放大。手機的攝像頭捕獲了細胞的放大影像。感染瘧疾的血細胞在新增吉姆薩染色液後變成藍色,並且可以在手機螢幕上清楚地看到;不規則的月牙形鐮狀細胞也很容易發現。

結核病的檢測比較棘手。目前,最好的方法是用一種染料對細胞進行染色,當病原體存在時,該染料會發出熒光,並使用熒光顯微鏡(一種光學顯微鏡的變體)來觀察發光。然而,這種顯微鏡的成本高達數萬美元。

在開發CellScope時,佈雷勞爾的小組注意到藍色發光二極體提供了足夠的光來觸發這種熒光。他說,這一發現“有點偶然。碰巧的是,我們正在研究這個問題,與此同時,LED技術開始變得負擔得起。”研究人員在介面卡中添加了藍色LED,每個成本約為10美元,據佈雷勞爾稱,每個二極體可持續使用約50,000小時。該小組甚至有空間新增過濾器,這些過濾器用於熒光顯微鏡中,以阻擋來自影像的無關光。


研究人員使用該裝置篩選了受結核病感染的細胞培養物,並透過使用金胺O染料檢測到樣品中細菌的棒狀結構,該染料可以對結核病菌進行染色。該染料吸收藍光,然後發出綠色熒光。

佈雷勞爾和該小組對這項技術抱有很高的期望,特別是考慮到許多發展中國家無線裝置的基礎設施完善。當醫生短缺時,可以在現場分析影像,或將影像傳輸到診所進行快速診斷。西加諾同意這一評估:“我完全可以想象這項技術在第三世界國家會很有用,”她說。

如果該小組要將該技術轉化為產品,佈雷勞爾指出,它將需要克服一些障礙,其中最重要的是資金。“向發展中國家銷售產品具有挑戰性,並且本質上像非營利工作一樣,”他說。“如果我們要讓一家公司對推進這項技術感興趣,我們需要找到有利可圖的應用。”

佈雷勞爾希望的一個有利可圖的應用是使用手機來數字化索引一個人的醫療記錄。需要進行常規血細胞計數的人可以從家中拍攝血液樣本的顯微影像,並透過電子郵件將其傳送給醫生或儲存以供以後分析。該小組計劃在秋季開始使用該裝置進行現場試驗。

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