實現(xiàn)復雜場景中多類微粒高精度高通量非標記的三維動態(tài)化表征
——專訪華南理工大學材料科學與工程學院龔湘君教授
【化工儀器網(wǎng) 人物訪談】
華南理工大學龔湘君教授
三維觀測，更全面認識微觀世界
與傳統(tǒng)的光學顯微鏡相比，三維光學顯微鏡利用計算機圖形學、圖像處理和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，將復雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的三維圖像，這些經(jīng)過重建的圖像具有空間立體感，能夠從多角度，多方位地進行觀測。隨著科技的不斷發(fā)展，三維可視化技術(shù)表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。
華南理工大學材料科學與工程學院龔湘君教授2005年本科畢業(yè)于中國科技大學物理系，2011年博士畢業(yè)于香港中文大學物理系，2014年到2017年任華南理工大學副教授，2017年至今任華南理工大學教授。先后主持有三項國家自然科學基金，并參與一項國家自然科學基金重點基金。發(fā)表SCI論文40余篇。龔湘君一直致力于研究基于光學、電磁學的顯微技術(shù)用于研究顆粒、微生物、生物分子在材料界面附近的動態(tài)行為和物理化學現(xiàn)象。
基于光的干涉原理，結(jié)合全新的軟硬件設(shè)計，龔湘君及其團隊在國際上率先成功研制了基于全息的非標記三維動態(tài)光學顯微鏡(Digital holographic microscopy，簡稱DHM)。DHM是數(shù)字全息技術(shù)在顯微領(lǐng)域的應(yīng)用，也被稱為全息顯微術(shù)。與其他顯微技術(shù)相比，數(shù)字全息顯微鏡并不直接記錄被觀測物體的圖像，而是記錄含有被觀測物體波前信息的全息圖，再通過計算機對所記錄的全息圖進行數(shù)值重建來得到被測物體的相位和振幅(光強)信息，進而完成數(shù)字三維重構(gòu)。
高精度高通量非標記，三維動態(tài)光學顯微鏡
DHM可對尺寸范圍在50 nm至500 μm諸如顆粒、微納氣泡、微生物及細胞的三維動態(tài)行為進行非標記的連續(xù)表征，具有對檢測對象無損、三維、高精度、大景深及動態(tài)觀測的特點，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海洋防污效果評價、生殖醫(yī)學中精子質(zhì)量評估、抗菌機理研究、微納氣泡和藥物顆粒行為和性質(zhì)、生物醫(yī)學中免疫細胞三維追蹤與相互作用、跨膜脂質(zhì)體藥物顆粒、眼科材料設(shè)計與評估等領(lǐng)域，還可應(yīng)用于輔助生殖、畜牧業(yè)育種、類器官與藥物研發(fā)、臨床醫(yī)學檢測、半導體表面和薄膜材料表征、水處理與檢測等領(lǐng)域。針對不同應(yīng)用場景，龔湘君還研發(fā)了商用顯微鏡兼容型、離軸式透射、離軸式反射以及便攜式等多款DHM機型。
針對DHM的應(yīng)用，龔湘君先后在《Optics Express》《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》《Langmuir》等期刊發(fā)表了Method for 3D tracking behaviors of interplaying bacteria individuals、Microscale topographic surfaces modulate three-dimensional migration of human spermatozoa、Three-Dimensional Bacterial Motions near a Surface Investigated by Digital Holographic Microscopy: Effect of Surface Stiffness、Alternating electric fields induce a period-dependent motion of Escherichia coli in three-dimension near a conductive surface等系列成果。
致力新算法新思路，為行業(yè)發(fā)展提供更寬廣未來
長期以來，我國高端科學儀器依賴進口，核心技術(shù)和設(shè)備受制于人，已嚴重制約我國科技的自主創(chuàng)新。為此，我國儀器儀表事業(yè)的創(chuàng)始人之一朱良漪先生很早就指出：在分析技術(shù)領(lǐng)域，有些邊緣技術(shù)可以實行“拿來主義”，但核心技術(shù)一定要自主創(chuàng)新。“朱良漪青年創(chuàng)新獎”的設(shè)立，便是為了激勵在分析儀器或相關(guān)關(guān)鍵零部件研究開發(fā)工作中取得重要創(chuàng)新成果的青年科技工作者。
作為ACAIC 2023“朱良漪青年創(chuàng)新獎”的獲得者之一，龔湘君在采訪中表達了對國產(chǎn)科學儀器未來的期待。龔湘君表示：“由于疫情的原因，已經(jīng)有很長一段時間沒有參加這樣大規(guī)模的學術(shù)會議。這一次在ACAIC 2023與大家交流，我最大的感受就是驚喜，因為我看到我們分析儀器發(fā)展得越來越好，品類也越來越豐富。無論是像質(zhì)譜色譜這樣的適用范圍非常廣泛的重磅型儀器，還是像體外診斷或者生物應(yīng)用這種相對使用范圍比較小的儀器，我們都已經(jīng)有了自主研發(fā)的國產(chǎn)儀器。這是非常棒的事情。”
在問到未來發(fā)展時，龔湘君說道：“我和我的團隊所做的項目，其實是多學科交叉應(yīng)用的體現(xiàn)。在光學顯微鏡領(lǐng)域，數(shù)字全息顯微鏡不僅要解決分辨率的問題，而且還要實現(xiàn)高通量和快速成像問題。這不僅是我們團隊所面臨的困難，也是整個行業(yè)所必須面對的難題。如果能夠在維持高分辨率的前提下，做出更大的通量，這對整個生物醫(yī)學成像、體外診斷以及材料表界面表征等領(lǐng)域，都是具有重大意義的。所以我和我的團隊，未來會繼續(xù)在數(shù)字全息顯微鏡領(lǐng)域深耕，并尋求新的算法和思路，為相關(guān)行業(yè)更好的發(fā)展而努力。”
朱良漪分析儀器創(chuàng)新獎
“朱良漪分析儀器創(chuàng)新獎”是由中國儀器儀表學會設(shè)置、分析儀器分會承辦執(zhí)行的獎項，共設(shè)有三個子獎項，包括“創(chuàng)新成果獎”“青年創(chuàng)新獎”和“應(yīng)用創(chuàng)新獎”。龔湘君憑借申報的“基于數(shù)字全息的非標記三維動態(tài)光學顯微鏡”項目榮獲2023年“朱良漪分析儀器創(chuàng)新獎”之“青年創(chuàng)新獎”。該技術(shù)的創(chuàng)新點在于將微粒的動態(tài)表征轉(zhuǎn)化為識別其三維光場中的特征分布，并開發(fā)了分維度定位算法，從而實現(xiàn)了復雜場景中多類微粒的高精度、高通量、連續(xù)、非標記的三維動態(tài)表征。
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