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成像芯片器件“减肥”成功 吹响细胞显微成像的胜利号角

  光影交织中,立于幕布前小小纸片人呈现出别样视觉冲击。皮影,坊间艺术,光影下的传奇。近年来,皮影文化虽然逐渐淡出现代生活,但文化和科技一脉相承。皮影为科研人员探寻光影显微世界提供丰富灵感。
 
  在南京大学电子科学与工程学院副研究员杨程看来,细胞就是皮影,成像芯片则是幕布,光影将细胞投影到芯片上,芯片分辨率越高,捕捉的图像视野就越大,就能看到更加细微的细胞。这也是显微成像系统的构成原理。近日,杨程团队将成像芯片器件像素尺寸从1微米降低到500纳米,像素规模从100万增加到4亿。这一成果耗费了整整十二年。
 
  微观起家史:从传统光学镜头到图像传感器
 
  四百年前,显微镜诞生,微观世界从此清晰地呈现在人们眼中,挣脱了200微米的肉眼可见禁锢。然而传统光学显微镜通过目镜和物镜,两次局部放大目标物体,进行观察或者成像芯片记录。观察视角被光学放大区限制,陷入一种放大倍数越大,观察视角越小的死循环中。
 
  图像传感器吹响传统显微镜革命号角。图像传感器将光学图像转换为电子信号,广泛地应用在数码相机和其他电子光学设备中。CMOS图像传感器(CIS)作为市场主流,采用CMOS工艺,工艺成本较低,具有高帧频、高动态范围、低噪声等优势。另外,CIS的阵列架构为每个像素独立,各像素单元之间无相互影响,工作速度快、成品率较高。
 
  但因为CIS的单元像素由一个二极管和三、四个晶体管组成,像素尺寸缩小,信噪比无法满足成像需求,图像传感器技术无法化解信噪比和像素尺寸间的矛盾。
 
  核心器件“减肥”成功 芯片规模集成
 
  对于投影显微成像来说,分辨率直接受限于成像芯片的像素尺寸,视野则受限于芯片的像素规模。因此,解决芯片器件的尺寸、像素不能同部提升的问题是首要目标。
 
  研究团队从结构设计,像素串扰、保持信噪比等入手,研发出垂直电荷转移成像器件(VPS),垂直堆叠CIS器件中形成像素的5大功能模块,形成一个整体。“五合一”的像素结构,大大节省了器件空间,芯片中可以集成更多器件。此外,VPS器件并不会像主流的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器一样因为像素缩小而导致成像质量急剧下降,而是为像素和质量的上双保险。
 
  十二年间,研究团队想一步、走一步,克服千难万险:2010年100万像素规模、1微米的芯片,实现了亚微米尺寸像素;2012年研制2500万像素、950纳米尺寸的芯片,解决了器件大规模集成的问题;2015年像素规模提高到1.4亿,实现了近场和远场成像;2018年,像素尺寸500纳米,像素规模达到4亿,该芯片是一款空间分辨率高的可见光成像芯片。
 
  行业应用广泛 数字显微芯片成为现实
 
  图像传感芯片兼备等多重优势,广泛应用于体外诊断行业,与光学透镜、机械扫描装置等方面,提升了光学检测的精度。
 
  目前,随着芯片技术不断精进,数字显微芯片正在成为现实。团队研制的高分辨率数字芯片显微成像系统用于临床医学检验和病理分析。
 
  数字显微芯片表面粘有微流腔,即中间是一片透明的玻璃片,两头各有一根细短的导流管。微米尺度的细胞通过导流管注入到微流腔,平铺在成像芯片表面,光源照在细胞上,芯片的像素可以同时摄取整个芯片表面的光信号,经光电转换,快速呈现全视野高分辨率的细胞投影图像,瞬时捕获细胞、微生物或微粒子的显微图像。
 
  由于VPS单个晶体管的特殊像素结构,像素尺寸越小,分辨细节便越小,而当像素数目越多,观测的视野就越大。
 
  数字显微芯片,突破了光学显微镜高分辨和大视野无法兼得的矛盾,单次拍照即可瞬间获取全视野高分辨率数字图像,比传统显微镜视野扩大500倍。不仅如此,数字显微芯片核心部件较小,使用中可以大大缩小设备体积,这给未来医疗器械进入社区、家庭提供很大的想象空间。
 
  目前,团队利用数字显微芯片完成了血细胞、粪、尿有形成分,阴道微生态的形态学检测,宫颈癌脱落细胞筛查等方面的初步验证。

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