Novel Hyperspectral Microsystem: Chụp ảnh và phân tích trong một hệ thống

Giới thiệu
Chụp ảnh hiển vi (microscopic imaging) là công cụ nền tảng không thể thiếu trong các lĩnh vực nghiên cứu như sinh học tế bào, khoa học vật liệu, dược học, huyết học và miễn dịch học y khoa. Tuy nhiên, các hệ thống kính hiển vi truyền thống thường tách rời quá trình chụp ảnh, xử lý dữ liệu và phân tích định lượng thành các giai đoạn riêng biệt, buộc các nhà nghiên cứu phải sử dụng nhiều phần mềm và quy trình khác nhau để hoàn thành một nghiên cứu trọn vẹn. Để giải quyết vấn đề này, Hong Kong NTI Limited đã phát triển "Hệ thống vi mô siêu phổ thế hệ mới" (Novel Hyperspectral Microsystem), được thiết kế nhằm tích hợp chụp ảnh, xử lý và phân tích vào một hệ thống thống nhất duy nhất, đồng thời đáp ứng các yêu cầu chụp ảnh hiển vi siêu phổ ở cấp độ nghiên cứu (research-grade).

Bài viết này nhằm cung cấp một cái nhìn tổng quan về mặt kỹ thuật của hệ thống nói trên, bao gồm kiến trúc phần cứng, khả năng chụp ảnh, nền tảng phần mềm, cũng như các ví dụ ứng dụng thực tế trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Kiến Trúc Kỹ Thuật và Các Thành Phần Cốt Lõi
1. Độ Phân Giải Quang Học và Chụp Ảnh Ba Chiều
Hệ thống đạt độ phân giải quang học 240 nm trên mặt phẳng xy và 600 nm theo trục z, phù hợp cho việc nghiên cứu các cấu trúc vi mô có độ chi tiết cao. Hệ thống có khả năng loại bỏ hiệu quả ánh sáng tán xạ (stray light) đến từ ngoài mặt phẳng tiêu cự, đồng thời áp dụng kỹ thuật xếp chồng nhiều lớp (multi-layer stacking) để dựng nên hình ảnh ba chiều có độ phân giải cao.

2. Nguồn Chiếu Sáng Huỳnh Quang LED Công Suất Cao, Tuổi Thọ Dài
Ánh sáng được cung cấp bởi nguồn chiếu sáng huỳnh quang LED độc lập bốn bước sóng (four-wavelength independent LED), có độ sáng cao và tuổi thọ vận hành dài. Nguồn sáng này hỗ trợ chuyển đổi bước sóng tốc độ cao, giúp giảm đáng kể hiện tượng photobleaching trên mẫu vật. Công nghệ ghép nối sợi quang (fiber-optic coupling) còn đảm bảo ánh sáng phân bố đồng đều trên toàn bộ trường nhìn (field of view).

3. Camera sCMOS Cấp Độ Nghiên Cứu
Trung tâm của khả năng chụp ảnh trong hệ thống là camera sCMOS đơn sắc (monochrome), chiếu sáng phía sau (back-illuminated) đạt tiêu chuẩn nghiên cứu, với các thông số kỹ thuật như sau:

• Kích thước cảm biến: 1,2 inch; kích thước điểm ảnh: 6,5 × 6,5 μm
• Hiệu suất lượng tử (quantum efficiency): 95% @ 600 nm
• Tốc độ khung hình (frame rate): lên đến 100 fps @ độ phân giải 2048 × 2048

Những thông số này cho phép hệ thống ghi lại hình ảnh có độ nhạy sáng và độ phân giải cao với tốc độ nhanh — một khả năng thiết yếu để nghiên cứu các hiện tượng sinh học diễn ra nhanh chóng, gần như theo thời gian thực.

4. Nền Tảng Phần Mềm Cấp Độ Nghiên Cứu (SRF)
Hệ thống được trang bị một nền tảng phần mềm chuyên dụng gọi là SRF, tích hợp ba mảng chức năng chính:

1. Thu Nhận Hình Ảnh (Image Acquisition) — Thu nhận dữ liệu năm chiều (xyzλt), bao gồm tọa độ không gian (x, y, z), bước sóng (λ) và thời gian (t), với hệ thống điều khiển tự động hóa toàn diện, đa chiều.
2. Xử Lý Hình Ảnh (Image Processing) — Tái tạo và hiển thị hình ảnh 3D, xử lý và liên kết đồng định vị (co-localization), điều chỉnh độ sáng/độ tương phản/ngưỡng (threshold), lật và tạo ảnh gương, loại bỏ nền, tạo hình ảnh động (time-lapse), xử lý theo chồng lớp (stack), và xử lý vùng quan tâm (ROI).
3. Phân Tích (Analysis) — Phân tích các thông số định lượng như khoảng cách, chu vi, diện tích, độ tròn, giá trị mức xám tối đa và tối thiểu; phân tích đồng định vị; đếm tế bào; đếm hạt; theo dõi protein; phân tích phân nhóm quần thể; và phân tích chu kỳ tế bào (cell cycle).

Việc tích hợp ba lớp chức năng này vào một nền tảng duy nhất phản ánh triết lý thiết kế cốt lõi của hệ thống: giảm thiểu độ phức tạp trong quy trình làm việc, từ khâu thu thập dữ liệu cho đến khâu phân tích cuối cùng.

Các Nghiên Cứu Điển Hình về Ứng Dụng Thực Tiễn
Theo tài liệu sản phẩm, hệ thống đã được ứng dụng trong nhiều nghiên cứu điển hình đa dạng, minh chứng cho tính linh hoạt của công nghệ chụp ảnh hiển vi siêu phổ trên nhiều lĩnh vực khác nhau:

• Tương tác giữa vật liệu nano và tế bào vi sinh vật, sử dụng hạt nano titan dioxide (TiO₂) làm ví dụ nghiên cứu.

• Phát hiện hạt nano trong nuôi cấy tế bào, sử dụng hạt nano vàng (Au).

• Phát hiện hạt nano oxit sắt trong nuôi cấy tế bào, kết hợp nhận dạng trực quan và phổ học đối với hạt nano cerium dioxide (CeO₂) trong mô.

• Chụp ảnh và phân tích đặc tính in vivo của các loại vật liệu nano kim loại trong các cơ thể đa bào.

• Chụp ảnh và nhận dạng các loại vật liệu nano kim loại trong mẫu môi trường.

  

• Phân tích không gian và phổ học của vật liệu nano perovskite.

• Phân tích phổ đặc trưng của vải (dệt may) dưới vật kính 50×.

• Phân tích thành phần khoáng chất, bao gồm đường cong phản xạ phổ của các khoáng chất như datolite và calcium borosilicate.

Các ví dụ trên cho thấy hệ thống không chỉ được ứng dụng trong nghiên cứu sinh học và công nghệ nano, mà còn trong khoa học vật liệu, khoa học môi trường và địa chất — tận dụng thế mạnh cốt lõi là khả năng tích hợp hình ảnh–phổ (image–spectral integration) trên dải bước sóng từ ánh sáng khả kiến đến hồng ngoại gần (400–1000 nm).

Kết Luận

Hệ thống vi mô siêu phổ thế hệ mới được trình bày trong bài viết này là một hệ thống chụp ảnh hiển vi siêu phổ hoạt động trong dải bước sóng từ ánh sáng khả kiến đến hồng ngoại gần (400–1000 nm), được xây dựng dựa trên ba đặc điểm cốt lõi: (1) tích hợp hình ảnh–phổ nhằm hướng tới một tương lai số hóa thông minh, (2) khả năng chụp ảnh ba chiều với độ phân giải cấp độ nano, và (3) là một phần trong dòng sản phẩm được thiết kế nhằm hỗ trợ đổi mới khoa học.

Bằng cách kết hợp phần cứng quang học hiệu suất cao, nguồn chiếu sáng huỳnh quang đa bước sóng, camera sCMOS đạt chuẩn nghiên cứu, và một nền tảng phần mềm toàn diện từ khâu thu nhận đến phân tích, hệ thống này có tiềm năng lớn trở thành công cụ hỗ trợ cho các nghiên cứu liên ngành, vốn đòi hỏi đồng thời độ phân giải không gian cao và thông tin phổ học.