成像芯片器件“減肥”成功 吹響細(xì)胞顯微成像的勝利號角
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】光影交織中，立于幕布前小小紙片人呈現(xiàn)出別樣視覺沖擊。皮影，坊間藝術(shù)，光影下的傳奇。近年來，皮影文化雖然逐漸淡出現(xiàn)代生活，但文化和科技一脈相承。皮影為科研人員探尋光影顯微世界提供豐富靈感。
在南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院副研究員楊程看來，細(xì)胞就是皮影，成像芯片則是幕布，光影將細(xì)胞投影到芯片上，芯片分辨率越高，捕捉的圖像視野就越大，就能看到更加細(xì)微的細(xì)胞。這也是顯微成像系統(tǒng)的構(gòu)成原理。近日，楊程團隊將成像芯片器件像素尺寸從1微米降低到500納米，像素規(guī)模從100萬增加到4億。這一成果耗費了整整十二年。
微觀起家史：從傳統(tǒng)光學(xué)鏡頭到圖像傳感器
四百年前，顯微鏡誕生，微觀世界從此清晰地呈現(xiàn)在人們眼中，掙脫了200微米的肉眼可見禁錮。然而傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡通過目鏡和物鏡，兩次局部放大目標(biāo)物體，進(jìn)行觀察或者成像芯片記錄。觀察視角被光學(xué)放大區(qū)限制，陷入一種放大倍數(shù)越大，觀察視角越小的死循環(huán)中。
圖像傳感器吹響傳統(tǒng)顯微鏡革命號角。圖像傳感器將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電子信號，廣泛地應(yīng)用在數(shù)碼相機和其他電子光學(xué)設(shè)備中。CMOS圖像傳感器(CIS)作為市場主流，采用CMOS工藝，工藝成本較低，具有高幀頻、高動態(tài)范圍、低噪聲等優(yōu)勢。另外，CIS的陣列架構(gòu)為每個像素獨立，各像素單元之間無相互影響，工作速度快、成品率較高。
但因為CIS的單元像素由一個二極管和三、四個晶體管組成，像素尺寸縮小，信噪比無法滿足成像需求，圖像傳感器技術(shù)無法化解信噪比和像素尺寸間的矛盾。
核心器件“減肥”成功 芯片規(guī)模集成
對于投影顯微成像來說，分辨率直接受限于成像芯片的像素尺寸，視野則受限于芯片的像素規(guī)模。因此，解決芯片器件的尺寸、像素不能同部提升的問題是首要目標(biāo)。
研究團隊從結(jié)構(gòu)設(shè)計，像素串?dāng)_、保持信噪比等入手，研發(fā)出垂直電荷轉(zhuǎn)移成像器件(VPS)，垂直堆疊CIS器件中形成像素的5大功能模塊，形成一個整體。“五合一”的像素結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省了器件空間，芯片中可以集成更多器件。此外，VPS器件并不會像主流的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器一樣因為像素縮小而導(dǎo)致成像質(zhì)量急劇下降，而是為像素和質(zhì)量的上雙保險。
十二年間，研究團隊想一步、走一步，克服千難萬險：2010年100萬像素規(guī)模、1微米的芯片，實現(xiàn)了亞微米尺寸像素；2012年研制2500萬像素、950納米尺寸的芯片，解決了器件大規(guī)模集成的問題；2015年像素規(guī)模提高到1.4億，實現(xiàn)了近場和遠(yuǎn)場成像；2018年，像素尺寸500納米，像素規(guī)模達(dá)到4億，該芯片是一款空間分辨率高的可見光成像芯片。
行業(yè)應(yīng)用廣泛 數(shù)字顯微芯片成為現(xiàn)實
圖像傳感芯片兼?zhèn)涞榷嘀貎?yōu)勢，廣泛應(yīng)用于體外診斷行業(yè)，與光學(xué)透鏡、機械掃描裝置等方面，提升了光學(xué)檢測的精度。
目前，隨著芯片技術(shù)不斷精進(jìn)，數(shù)字顯微芯片正在成為現(xiàn)實。團隊研制的高分辨率數(shù)字芯片顯微成像系統(tǒng)用于臨床醫(yī)學(xué)檢驗和病理分析。
數(shù)字顯微芯片表面粘有微流腔，即中間是一片透明的玻璃片，兩頭各有一根細(xì)短的導(dǎo)流管。微米尺度的細(xì)胞通過導(dǎo)流管注入到微流腔，平鋪在成像芯片表面，光源照在細(xì)胞上，芯片的像素可以同時攝取整個芯片表面的光信號，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，快速呈現(xiàn)全視野高分辨率的細(xì)胞投影圖像，瞬時捕獲細(xì)胞、微生物或微粒子的顯微圖像。
由于VPS單個晶體管的特殊像素結(jié)構(gòu)，像素尺寸越小，分辨細(xì)節(jié)便越小，而當(dāng)像素數(shù)目越多，觀測的視野就越大。
數(shù)字顯微芯片，突破了光學(xué)顯微鏡高分辨和大視野無法兼得的矛盾，單次拍照即可瞬間獲取全視野高分辨率數(shù)字圖像，比傳統(tǒng)顯微鏡視野擴大500倍。不僅如此，數(shù)字顯微芯片核心部件較小，使用中可以大大縮小設(shè)備體積，這給未來醫(yī)療器械進(jìn)入社區(qū)、家庭提供很大的想象空間。
目前，團隊利用數(shù)字顯微芯片完成了血細(xì)胞、糞、尿有形成分，陰道微生態(tài)的形態(tài)學(xué)檢測，宮頸癌脫落細(xì)胞篩查等方面的初步驗證。
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