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智能手机将实验科学带到野外、教室和诊所
来源:中国科学报      作者:唐一尘      时间:2017-06-28 00:00      关键词:

研究人员借助柯迪风筝绑着智能手机拍下的法国波利尼西亚的海岸线照片。图片来源:E. Reynaud

随着夏季的到来,美国东岸进入假期:海滩、野餐,当然还有蚊子。弗吉尼亚州的威廉王子县也不例外。该县官员一直在设置陷阱收集蚊子,并研究其致病性。

通常,这些蚊子实验包括将它们带回实验室,分析其携带的病原体核苷酸信号,这一过程需要数天。但去年9月,Joseph Russell能够利用车上的空调设备获得相同数据。而这多亏了他的智能手机和掌上仪器two3。

two3由一个手机软件控制,能同时检测提取自2个序列目标的3个核苷酸提取物中的1个。而且,人们只需要打开顶盖,放入样品试管,按压开关即可。“当我收集好下一个地点的蚊子时,我就知道了前一个取 样点的结果。”马里兰州MRIGlobal的博士后Russell说。

Russell只是其中一个缩影。目前,随着移动电话功能的日益强大,越来越多的研究人员正将实验从实验室转移到田间。

加州大学洛杉矶分校电器和生物学工程师Aydogan Ozcan表示,结合了计算机、摄像机、全球定位系统、网络、传感器和电池,智能手机就像“瑞士军刀”,几乎拥有“十八般武艺”。Ozcan利用10年时间,将手机变成一个功能强大的显微镜和生物传感器。

而且,随着数十亿计的通讯设备和蜂窝网络的覆盖,以及数据传输速度的不断提高,研究人员正在利用手机把他们的科学研究带到更远的地方。目前,智能手机被广泛用于科学和医学用途。

Ozcan的团队目前正在开发更精确和敏感的成像器,能用于成像个体病毒和DNA分子。康奈尔大学机械工程师David Erickson和营养学家Saurabh Mehta已经开发出一个名为NutriPhone的手机系统,用于检测患者血液中的维生素B12和铁等微量元素。

目前,甚至还有基于手机的DNA测序仪。英国牛津纳米孔技术公司宣布,今年年底有望推出一台名为SmidgION的商业设备。1月,瑞典斯德哥尔摩大学的Mats Nilsson展示了一个3D打印的智能手机连接物,能用于检测DNA突变。

大众诊断

或许在发展中国家,智能手机的颠覆性潜力是最明显的。在“资源匮乏”的环境中,专门人才和实验室设备也同样紧缺。电力、清洁水等重要基础设施也不可靠。但蜂窝网络能提供某些帮助。

2014年,加拿大多伦多综合医院热带医学专家 Isaac Bogoch一直在科特迪瓦乡村地区研究血吸虫病。他提到,在科特迪瓦,血吸虫病是地方性疾病,但易于诊断和治疗,前提是医护人员能有和会用显微镜。不过,通常他们不能。

为了突破困境,Bogoch和同事将智能手机改造成一部便携式显微镜,并教给当地技术员如何使用其检验潜在患者的尿液和粪便。“与将患者或样本转移到遥远的实验室不同,我们可以将实验室带给人们。”他说。

据悉,Bogoch等人用双面胶将直径3毫米的球状透镜与手机的后置摄像头连接固定。在测试中,科研人员用该显微镜观测了200份粪便样本,从而发现样本中不同类型的寄生虫。结果显示,用智能手机改装的显微镜达到了常规显微镜精准度的70%。

此外,芬兰赫尔辛基大学分子医学研究室主任Johan Lundin等人利用手机部件开发出的自动荧光滑动扫描仪,也可用于诊断血吸虫感染。他们最近在坦桑尼亚进行了测试。

Lundin表示,尽管参与实验的学校没有电,但野外收集的图片能上传到赫尔辛基大学的服务器上。

而Bogoch的团队也在训练更偏远乡村的显微镜工作者如何从人类尿液和粪便中鉴别血吸虫卵。相关项目使用了一个简单的3D打印电话连接物——CellScope。

该设备由加州大学伯克利分校生物工程师Daniel Fletcher的实验室研发。它主要基于一个可拆卸部件,能将智能手机的相机镜头反转,以放大图像。同时,Fletcher团队还使用CellScope寻找其他寄生虫,例如罗阿丝虫。

“在实验室研发一个设备,然后证实它能工作是一件事。”Fletcher说,“但让这些设备能在野外工作,是一个非常难的过渡。当它确实能发挥作用时,有用到令人难以置信。”

广泛应用

还有人使用智能手机进行教学。宾夕法尼亚大学生物工程学研究生Megan Sperry和Heidi Norton,与Biomeme公司及教育机构TechGirlz合作,使用手机向18位女学生教授现代分子生物学。

该团队从费城3家餐厅订购了新鲜生鱼片,然后使用two3检验了菜单是否准确描述了鱼的种类。但一半情况下没有。Sperry表示,对于学生而言,能将课堂与生活结合起来,会让学习更有趣。“这是一个真实实验案例:我们有了鱼,然后进行基因分析,弄清菜单是否正确。”她说。

无独有偶,斯坦福大学生物工程师Ingmar Riedel-Kruse则使用手机制造了教学显微镜。Riedel-Kruse开发出一个3D打印的LudusScope。该设备包含操纵杆控制的LED灯,学生能用它驱动视野中的光应答单细胞原生生物。

而西班牙生物医学研究所工程师和管理者Julien Colombelli将智能手机电池和LEGO积木结合在一起,阐明了光片照明显微镜背后的原理。LEGOLish系统不是一个真的显微镜,Colombelli表示,它并不包含放大镜。但它能成像1~2厘米的物体,大约有老鼠胚胎大小。这个设备的成本约200美元,当然不包含手机。

Colombelli和光学研究所的同事Jordi Andilla最初设计LEGOLish的目的是作为2014年的一次显微镜学会议最佳海报的奖品。但他们后来升级了设计,使其适合于科学应用,尽管成本是之前的10倍。“我们认为这将对许多办公室有所帮助,他们能在1周内用不到2000美元建造一个能用的系统。”他说。

走出实验室

智能手机的轻便性让它们在边远地区尤其有用。去年年底,缅因州比洛奇海洋学实验室海洋微生物学家Peter Countway就在南极洲北部的帕默站使用了two3。他们使用该设备研究了海洋细菌如何代谢二甲基磺基丙酯—— 一种浮游植物产生的有机硫化合物,能反映全球气候模型的变化。

而且,爱尔兰都柏林大学学院的Emmanuel Reynaud也利用智能手机研究了法卡拉瓦岛珊瑚礁的健康状况和结构。

为了获得广角视野,研究人员利用柯迪风筝将一部便宜的安卓手机带入空中,然后每6个小时拉动风筝。手机能每20分钟拍摄一张照片,然后将照片和数据传输到下方的电脑中。而硬件的总成本仅约为400美元。

此外,越来越多的手机能收集医学相关数据,例如心率等。4月,CNBC报道称,苹果公司正在研发能通过皮肤测血糖的传感器。研究人员正在寻找新方法,利用这些数据解答科学问题。

例如,苹果的ResearchKit允许科学家使用苹果手机招募志愿者参加实验,并管理相关工作。“我认为这是一个相当好的主意。”西奈山伊坎医学院的Yvonne Chan说,ResearchKit能将普遍需求与人们内在的科学好奇心相结合,从而完成一些“极好的事”。

当苹果在2015年发布ResearchKit时,它还宣布启动5个使用该软件的研究。一些研究使用手机传感器存档患者的症状,还有人利用这些工具诊断患者或收集手机使用者上传的数据。

Chan便是其中一个研究项目(哮喘健康研究)的负责人。研究人员要求参与者每天回答健康问题,然后将这些数据与参与者的位置信息相关联。她提到,多亏苹果的营销能力,相关App的普及率高于预期,仅3天就有3000人完成注册和同意参与。

无论手机带给人们的福利是否会过去,有一件事情是肯定的:全球智能手机开发者之间的技术竞争几乎没有放缓的迹象。这对消费者来说是个好消息,对科学来说也是个好消息。(唐一尘编译)


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