实现复杂场景中多类微粒高精度高通量非标记的三维动态化表征

　　【化工仪器网 人物访谈】
 

华南理工大学龚湘君教授
 

　　三维观测，更全面认识微观世界
 

　　与传统的光学显微镜相比，三维光学显微镜利用计算机图形学、图像处理和虚拟现实等技术，将复杂的数据转化为直观的三维图像，这些经过重建的图像具有空间立体感，能够从多角度，多方位地进行观测。随着科技的不断发展，三维可视化技术表现出了巨大的应用潜力。
 

　　华南理工大学材料科学与工程学院龚湘君教授2005年本科毕业于中国科技大学物理系，2011年博士毕业于香港中文大学物理系，2014年到2017年任华南理工大学副教授，2017年至今任华南理工大学教授。先后主持有三项国家自然科学基金，并参与一项国家自然科学基金重点基金。发表SCI论文40余篇。龚湘君一直致力于研究基于光学、电磁学的显微技术用于研究颗粒、微生物、生物分子在材料界面附近的动态行为和物理化学现象。
 

　　基于光的干涉原理，结合全新的软硬件设计，龚湘君及其团队在国际上率先成功研制了基于全息的非标记三维动态光学显微镜(Digital holographic microscopy，简称DHM)。DHM是数字全息技术在显微领域的应用，也被称为全息显微术。与其他显微技术相比，数字全息显微镜并不直接记录被观测物体的图像，而是记录含有被观测物体波前信息的全息图，再通过计算机对所记录的全息图进行数值重建来得到被测物体的相位和振幅(光强)信息，进而完成数字三维重构。
 

　　高精度高通量非标记，三维动态光学显微镜
 

　　DHM可对尺寸范围在50 nm至500 μm诸如颗粒、微纳气泡、微生物及细胞的三维动态行为进行非标记的连续表征，具有对检测对象无损、三维、高精度、大景深及动态观测的特点，该技术已广泛应用于海洋防污效果评价、生殖医学中精子质量评估、抗菌机理研究、微纳气泡和药物颗粒行为和性质、生物医学中免疫细胞三维追踪与相互作用、跨膜脂质体药物颗粒、眼科材料设计与评估等领域，还可应用于辅助生殖、畜牧业育种、类器官与药物研发、临床医学检测、半导体表面和薄膜材料表征、水处理与检测等领域。针对不同应用场景，龚湘君还研发了商用显微镜兼容型、离轴式透射、离轴式反射以及便携式等多款DHM机型。
 

　　针对DHM的应用，龚湘君先后在《Optics Express》《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》《Langmuir》等期刊发表了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，为行业发展提供更宽广未来
 

　　长期以来，我国高端科学仪器依赖进口，核心技术和设备受制于人，已严重制约我国科技的自主创新。为此，我国仪器仪表事业的创始人之一朱良漪先生很早就指出：在分析技术领域，有些边缘技术可以实行“拿来主义”，但核心技术一定要自主创新。“朱良漪青年创新奖”的设立，便是为了激励在分析仪器或相关关键零部件研究开发工作中取得重要创新成果的青年科技工作者。
 

　　作为ACAIC 2023“朱良漪青年创新奖”的获得者之一，龚湘君在采访中表达了对国产科学仪器未来的期待。龚湘君表示：“由于疫情的原因，已经有很长一段时间没有参加这样大规模的学术会议。这一次在ACAIC 2023与大家交流，我最大的感受就是惊喜，因为我看到我们分析仪器发展得越来越好，品类也越来越丰富。无论是像质谱色谱这样的适用范围非常广泛的重磅型仪器，还是像体外诊断或者生物应用这种相对使用范围比较小的仪器，我们都已经有了自主研发的国产仪器。这是非常棒的事情。”
 

　　在问到未来发展时，龚湘君说道：“我和我的团队所做的项目，其实是多学科交叉应用的体现。在光学显微镜领域，数字全息显微镜不仅要解决分辨率的问题，而且还要实现高通量和快速成像问题。这不仅是我们团队所面临的困难，也是整个行业所必须面对的难题。如果能够在维持高分辨率的前提下，做出更大的通量，这对整个生物医学成像、体外诊断以及材料表界面表征等领域，都是具有重大意义的。所以我和我的团队，未来会继续在数字全息显微镜领域深耕，并寻求新的算法和思路，为相关行业更好的发展而努力。”
 

　　朱良漪分析仪器创新奖
 

　　“朱良漪分析仪器创新奖”是由中国仪器仪表学会设置、分析仪器分会承办执行的奖项，共设有三个子奖项，包括“创新成果奖”“青年创新奖”和“应用创新奖”。龚湘君凭借申报的“基于数字全息的非标记三维动态光学显微镜”项目荣获2023年“朱良漪分析仪器创新奖”之“青年创新奖”。该技术的创新点在于将微粒的动态表征转化为识别其三维光场中的特征分布，并开发了分维度定位算法，从而实现了复杂场景中多类微粒的高精度、高通量、连续、非标记的三维动态表征。