實(shí)現(xiàn)復(fù)雜場景中多類微粒高精度高通量非標(biāo)記的三維動(dòng)態(tài)化表征
——專訪華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院龔湘君教授
【化工儀器網(wǎng) 人物訪談】
華南理工大學(xué)龔湘君教授
三維觀測(cè)，更全面認(rèn)識(shí)微觀世界
與傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡相比，三維光學(xué)顯微鏡利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，將復(fù)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(jìn)行觀測(cè)。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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院龔湘君教授2005年本科畢業(yè)于中國科技大學(xué)物理系，2011年博士畢業(yè)于香港中文大學(xué)物理系，2014年到2017年任華南理工大學(xué)副教授，2017年至今任華南理工大學(xué)教授。先后主持有三項(xiàng)國家自然科學(xué)基金，并參與一項(xiàng)國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)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(xué)、電磁學(xué)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(dòng)態(tài)行為和物理化學(xué)現(xiàn)象。
基于光的干涉原理，結(jié)合全新的軟硬件設(shè)計(jì)，龔湘君及其團(tuán)隊(duì)在國際上率先成功研制了基于全息的非標(biāo)記三維動(dòng)態(tài)光學(xué)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(cè)物體的圖像，而是記錄含有被觀測(cè)物體波前信息的全息圖，再通過計(jì)算機(jī)對(duì)所記錄的全息圖進(jìn)行數(shù)值重建來得到被測(cè)物體的相位和振幅(光強(qiáng))信息，進(jìn)而完成數(shù)字三維重構(gòu)。
高精度高通量非標(biāo)記，三維動(dòng)態(tài)光學(xué)顯微鏡
DHM可對(duì)尺寸范圍在50 nm至500 μm諸如顆粒、微納氣泡、微生物及細(xì)胞的三維動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行非標(biāo)記的連續(xù)表征，具有對(duì)檢測(cè)對(duì)象無損、三維、高精度、大景深及動(dòng)態(tài)觀測(cè)的特點(diǎn)，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海洋防污效果評(píng)價(jià)、生殖醫(yī)學(xué)中精子質(zhì)量評(píng)估、抗菌機(jī)理研究、微納氣泡和藥物顆粒行為和性質(zhì)、生物醫(yī)學(xué)中免疫細(xì)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(jì)與評(píng)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(xué)檢測(cè)、半導(dǎo)體表面和薄膜材料表征、水處理與檢測(cè)等領(lǐng)域。針對(duì)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(jī)型。
針對(duì)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(xué)儀器依賴進(jìn)口，核心技術(shù)和設(shè)備受制于人，已嚴(yán)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(shí)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(jiǎng)”的設(shè)立，便是為了激勵(lì)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?jiǎng)?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(jiǎng)”的獲得者之一，龔湘君在采訪中表達(dá)了對(duì)國產(chǎn)科學(xué)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(shí)間沒有參加這樣大規(guī)模的學(xué)術(shù)會(huì)議。這一次在ACAIC 2023與大家交流，我最大的感受就是驚喜，因?yàn)槲铱吹轿覀兎治鰞x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(duì)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(shí)，龔湘君說道：“我和我的團(tuán)隊(duì)所做的項(xiàng)目，其實(shí)是多學(xué)科交叉應(yīng)用的體現(xiàn)。在光學(xué)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(shí)現(xiàn)高通量和快速成像問題。這不僅是我們團(tuán)隊(duì)所面臨的困難，也是整個(gè)行業(yè)所必須面對(duì)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(duì)整個(gè)生物醫(yī)學(xué)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(tuán)隊(duì)，未來會(huì)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(jiǎng)
“朱良漪分析儀器創(chuàng)新獎(jiǎng)”是由中國儀器儀表學(xué)會(huì)設(shè)置、分析儀器分會(huì)承辦執(zhí)行的獎(jiǎng)項(xiàng)，共設(shè)有三個(gè)子獎(jiǎng)項(xiàng)，包括“創(chuàng)新成果獎(jiǎng)”“青年創(chuàng)新獎(jiǎng)”和“應(yīng)用創(chuàng)新獎(jiǎng)”。龔湘君憑借申報(bào)的“基于數(shù)字全息的非標(biāo)記三維動(dòng)態(tài)光學(xué)顯微鏡”項(xiàng)目榮獲2023年“朱良漪分析儀器創(chuàng)新獎(jiǎng)”之“青年創(chuàng)新獎(jiǎng)”。該技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)在于將微粒的動(dòng)態(tài)表征轉(zhuǎn)化為識(shí)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(shí)現(xiàn)了復(fù)雜場景中多類微粒的高精度、高通量、連續(xù)、非標(biāo)記的三維動(dòng)態(tài)表征。
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