智能手机获得新技能，变身显微镜扫描DNA

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加州大学洛杉矶分校(UCLA)研究人员们最近开发出一种新的手机附件设备，能将任何智能手机变成一款DNA扫描荧光显微镜。这项创新可望对于医疗诊断带来深远影响，并再次展现如何有效利用智能手机来降低医疗成本，以及为开发中国家带来先进的医疗诊断技术。

这款智能手机的附件包括一个外部透镜、薄膜干涉滤光器、可微调的微型楔形榫头支架，以及雷射二极管，全部封装在一个以3D打印的小型方盒中，并整合成一款手持式荧光显微镜。


“DNA单分子在拉长时的宽度约2nm，”UCLA霍华德．休斯医学院(HHMI)教授Aydogan Ozcan表示，“以透视来看，它使DNA较人的发丝还细约50,000倍。目前，为单个DNA分子进行成像需要昂贵又庞大的光学显微镜工具，使其几乎仅限于先进的实验室设置才能进行。相形之下，这款适用于个人手机的附件设备显然就没那么昂贵了。”


虽然其他“智能手机变身显微镜”的设备也能够成像出较大规模的对象，例如细胞；但是，Ozcan的研究团队最新开发出的这款智能手机光学附件，则是首款可成像DNA单分子纤薄链以及调整其大小的设备。


该设备主要用于远程的实验室设置，以诊断不同类型的癌症与神经系统疾病，例如阿尔兹海默症(Alzheimer)，以及侦测传染病的抗药性。为了利用手机上的相机，首先必须以荧光标记隔绝以及标示所需的DNA。Ozcan表示，如今，这种实验室程序已经能在偏远地区以及资源有限的环境下进行了。


为了扫描DNA，研究团队开发出可执行在同一支智能手机上的运算接口，以及一款Windows智能应用程序。扫描后的信息可被传送至远程Ozcan实验室中的服务器，然后测量DNA分子长度。在联机可靠可情况下，完整的数据处理过程只需要10秒钟的时间。



《国际电子商情》图中显示智能手机安装该成像设备与用户接口，并以25美分硬币作为对比。（来源：UCLA）
图中显示智能手机安装该成像设备与用户接口，并以25美分硬币作为对比。（来源：UCLA）



在Ozcan的实验室中，研究人员们成像荧光标记与拉伸DNA节段，为该设备的准确度进行测试。结果发现它能够可靠地倍增10,000个碱基对或更长的DNA节段(碱基对是构成DNA的基本结构单元)。许多重要的基因都落在这个大小范围，包括为金黄色葡萄球菌与其他细菌提供抗生素抗药性的细菌基因 ，大约有14,000个碱基对长。


然而，由于较短节段时的讯噪比(SNR)侦测减少以及明显差异，智能手机显微镜在5,000或更短碱基对节段时的准确度急速下降。这时，必须将该设备的现有透镜置换成更高数倍数，就可以轻易地解决这个问题。


除了用于定点照护诊断，Ozcan建议该平台也可用于区别高分子量的DNA节段，从而有助于解决使用传统凝胶电泳的问题——在生物化学和分子生物学中，这种凝胶电泳经常用来扩展DNA与RNA节段。接下来，Ozcan及其研究团队计划测试该领域的其他组件，进一步侦测与疟疾有关的抗药性。

wtliu

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